氧化腈与丙炔1，3-偶极环加成反应中区域选择性的理论研究

氧化腈与丙炔1，3-偶极环加成反应中区域选择性的理论研究 氧化腈与丙炔1，3-偶极环加成反应中区域 选择性的理论研究 2005年第63卷 第7期,567~571 化学 ACTACHIMICAS?ICA Vb1.63.2o05 No.7,567~571 研究论文 氧化腈与丙炔1,3.偶极环加成反应中区域选择性的理论研究 张月梅王若曦徐人刘成卜耙" (.山东大学理论化学研究所济南250100) (天津药物研究院天津药代动力学与药效动力学省部共建国家重点实验室天津300193) 摘要用密度泛函(DFT)B3LYP/6.311++G 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 研究了氧化腈(RCNO,R=F,NO2,OCH3,OH,COOCH3,CHO, CONH2,H,CH3)与丙炔的1,3一偶极环加成反应,并且计算了不同温度下的反应速率常数,讨论了氧化腈上不同取代基R 的取代效应和温度对反应区域选择性的影响.结果显示,氧化腈与富电子亲偶极体——炔烃反应,5一取代反应占优势; 氧化腈上取代基R为强吸电子基团时或在较高温度下,有利于4一取代反应的进行. 关键词1,3一偶极环加成;氧化腈;丙炔;量子化学计算;区域选择性 TheoreticalStudyontheRegiOselectiVityofNitrileOxide1,3-Dipolar CycloadditiontoPropyne ZHANG,Yue—MeiWANG,Ruo—XiXU,Wei—RenLIU,Cheng—Bu, aInstituteofTheoreticalChemistry,ShandongUniversity,Jinan250100) (TianjinInstituteofPharmaceuticalResearch,TianfinStateKeyLaboratoryofPharmacokineticsandPharmacodynamics, Tianjin300193) AbstractInordertodiscusstheregioselectivityofnitrileoxide1,3一 dipolarcycloadditiontopropyne, 1,3一 dipolarcycloadditionreactionofsubstitutednitrileoxide(RCNO,R=F,NOz,OCH3,OH,COOCH3, CHO,CONHz,H,CH3)withpropynewasstudiedusingdensityfunctionaltheoryatthe6-311++G level,andthereactionrateswerecalculatedatdifferenttemperaturefrom200to400K.Theconclusionsare that5-substitutedreactionofnitrileoxidewithelectron— deficientdipolarophile---propyneisdominant,while 4-substitutedreactionofelectron??deficientnitrileoxidewithpropyneisfavoredatrelativelyhightempera?? ture. Keywords1,3??dipolarcycloaddition;nitrileoxide;propyne;quantumchemicalcalculation;regio?? selectivity 1,3.偶极环加成反应是一类重要的有机反应,通常 用它来实现五元杂环化合物的合成_lJ.六十年代初期 Huisgen等给出了1,3.偶极环加成反应的反应机理,他 们认为该反应是通过环状过渡态协同进行的,其机理符 合6电子周环反应的Woodward—Hoffmann规则|2].其中 氧化腈和炔烃反应生成异嗯唑,异嗯唑是肽和许多药物 的基本分子模块,研究此类反应对药物合成具有重要意 义.Minh等通过分析理论计算结果提出,氧化腈与炔烃 的反应中存在图1所示的电子传递机理:氧化腈分子内 电子从氧原子向氮原子传递,氧原子接受炔烃上的电 子,氧化腈中的碳原子提供电子给炔烃,通过协同过渡 态成环得到产物_l】. 除以上反应机理外,1,3一偶极环加成反应中还存在 区域选择性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .近年来,许多文献对氧化腈与炔烃反 E.mail:tcsd@sdu.edu.ell ReceivedJune23,2004;revisedOctober25,2004;acceptedDecember14,2004 国家自然科学基金(No.20133020)资助项目. 568化学,bl_63.2o05 c N /\ 图1反应中的电子传递 Figure1Electronmigrationinthetitlereaction 其中讨论较多的是氧 应的区域选择性进行了讨论-4~6】. 化腈与缺电子(electron—deficient)亲偶极体的反应,对4一 取代产物占优势的现象进行了解释.对于氧化腈与富电 子(electron—rich)亲偶极体的反应研究很少,讨论中仅提 到一般情况下5.取代产物占优势.要弄清反应的区域选 择性问题,还需要大量理论和实验数据的支持.本文讨 论了不同取代的氧化腈(RCNO,R=F,NO2,OCH3,OH, COOCH3,CHO,CONH2,H,CH3)与富电子亲偶极体丙 炔的反应,研究了氧化腈上不同取代基R的取代效应以 及温度对反应区域选择性的影响. 1计算方法 大量理论计算 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 密度泛函(DFT)是研究有机反应 的有效方法,用密度泛函B3LYP方法往往会得到与 MP2或CCSD(T)相当的结果,并与实验数值吻合很 好【5】.Hu等给出了不同理论水平上福尔马林酸与乙炔的 1,3.偶极环加成反应的计算结果,所得反应活化势垒列 于表1】.为了确定本文的计算方法,我们采用 B3LYP/6—311++G料方法对同一反应进行了计算,计 算结果一并列于表1. 表1数据显示,不同计算水平上所得活化势垒相差 不大,用B3LYP/6.311++G料法得到的反应活化势垒 更接近于CCSD(T)的结果,但前者所需机时远小于后 者.因此采用B3LYP/6—311++G料方法讨论氧化腈与 表1不同方法得到的1,3一偶极环加成反应的活化势垒 Table1Energybarrierof1,3一dipolarcycloadditionatdifferent theoreticallevels Energybarrier/ EnergYeValuati.nGe.metry.ptimizati.n rkJ.m.r1 B3LYP/6—3lG{B3LYP/6—3lG CCSD(T)/6—31GB3LYP/6—31G CCSD(T)/6—31GMP2/6—31G CCSD(T)/6—31GCCSD(T)/6-31G B3LYP/6—3?++GB3LYP,6—3ll++G{ 56.1 (1iterature51 56.1 (1iterature51 55.6 (1iterature51 57.7 (1iterature51 58.6(ourwork) 丙炔的1,3一偶极环加成反应 2计算与结果 2.1过渡态构型及反应活化势垒 氧化腈(RCNO)与丙炔(CH3C;CH)反应生成五元 杂环化合物异噫唑,反应中只存在区域选择性问题,过 渡态包括5.取代和4一取代两种类型. 用B3LYP/6.311++G料方法对反应物及两种过渡 态进行几何优化,找到了R为不同取代基时各反应的过 渡态,并计算了各反应的活化势垒,结果列于表2和表 3 R—C;N—O— H3CC------CH 图2氧化腈与丙炔的l,3一偶极环加成反应 Figure21.3一Dipolarcycloadditionofnitrileoxidetopropyne 表25一取代反应的过渡态构型参数及反应活化势垒 Table2Parametersoftransitionstateandenergybarrierof5-substitutedreaction 一 刮 No.7张月梅等:氧化腈与丙炔1,3一偶极环加成反应中区域选择性的理论研究569 5.取代及4.取代反应的过渡态虚频及振动模式分别 列于图3和图4中. 2_2lRC分析 氧化腈与炔烃的偶极环加成也可以通过自由基反 应分步完成,其机理如图5所示. 当RCNO中的R为强吸电子基团时,R的吸电子作 用使得中间体的稳定性增加,分步反应比较容易发生. 为确定反应确实是通过环状过渡态一步完成,以最容易 发生分步反应的FCNO和CHC三CH的反应为例,用 B3LYP/6.311++G料方法对反应进行IRC分析,从过 ,, , FCNO+HCCH3 (虚频:一272.2) { H2NOCCNO+HCCH3 (虚频:一413.2) O2NCN0+HCCH3 (虚频:330.0) H3COOCCNO+HCCH3 (虚频:-415.5) 渡态向反应物和产物各计算100个点,步长为默认值, 结果绘于图6中. 由IRC分析,以及反应只存在一个虚频可以确定, 一步完成. 氧化腈与丙炔的反应遵循协同机理, 2.3取代基R的取代效应对反应区域选择性的影响 为了讨论取代效应对反应区域选择性的影响,将同 一 取代基下5.取代及4.取代反应的活化势垒及活化势 垒差列于表4. 由表4数据可知,相同取代基下5.取代的活化势垒 比4.取代低,5取代反应占优势.这一结果可以用前述 , H3COCNO+HCCH3 (虚频:一316.9) OHCNO+HCCH3 (虚频:-414.8, 一 HOCNO+HCCH3 f虚频:一327.2) HCNO+HCCH3 (懂频:一471.1) 图35一取代反应的过渡态虚频及振动模式 Figure3Imaginaryfrequencyanddisplacementvectorof5一substitutedtransitionstate H3CCNO+HCCH3 f虚频:-463.1) ? I|I . ?, I|I . ? I|l ? ? 570化学V_01.63.2o05 ,盎? j FCNO+HCCH3 (虚频:一298.2) O2NCNO+HCCH3 (虚频:一348.9) H3COCNO+HCCH3 (虚频:一333.8) HOCNO+HCCH3 (虚频:一345.1) H2NOCCNO+HCCH3 (虚频:-421.5) , 々柑'_ H3COOCCNO+HCCH3 (虚频:一4212) R—CiN—O— HC;CH OHCNO+HCCH3 (虚频:.417.0) HCN0+HCCH3 (虚频:-475.0) H3CCNO+HCCH3 (虚频:-468.3) 图44-取代反应的过渡态虚频及振动模式 Figure4Imaginaryfrequencyanddisplacementvectorof4-substitutedtransitionstate R,. H H 图51,3一偶极环加成分步反应机理 Figure5Stepwisemechanismof1.3-dipolarcycloaddition Ngnyen机理加以解释:氧化腈分子内电子从氧原子向 氮原子传递,氧化腈上的氧原子具有亲电性,碳原子具 有亲核性,反应中具有亲核性的碳进攻丙炔上电子密度 较小的未取代碳原子,得到5.取代过渡态及产物,因此 5.取代反应占优势. 氧化腈上不同取代基R的给电子能力不同,会影响 到氧化腈中碳上的电子密度,进而影响反应的区域选择 性.取代基为CH3,H,OCH3,OH,F时,4.取代反应与5. 取代反应的活化势垒差分别为13.4,10.5,10.4,9.7,7.1 kJ/mol,取代基R吸电子件增强使得4.取代反应比例增 加,这是由于取代基吸电子性增强,氧化腈中具有亲核 性的碳原子上电子密度减小,使得反应定位效应降低, 5一取代反应在竞争中不再占绝对优势.此外,取代基的 空间效应对反应区域选择性的影响也不容忽视.一NO2 是强吸电子性基团,但是4.取代和5.取代反应的活化势 垒差为15.9kJ/mol,反应中4.取代比率很小.这是由于 一 NO2的空间位阻比较大,对反应物的几何构型优化给 g ? 芒 曼 }宝 IRCreactioncoordination/(amu',2-bohr) IRCreactioncoordination/(amu'l-bohr, 图6FCN0+CH3C=CH反应的IRC路径分析 a:5-取代反应:b:4.取代反应 Figure6EnergyalongtheIRCpathoftheFCNO+CH3C~ CHaddition a:5.substitutedaddition;b:4substitutedaddition —l-g.一n.uLIu趸0J No.7张月梅等:氧化腈与丙炔1,3.偶极环加成反应中区域选择性的理论研究571 出NO2一CN—O的电子空间范围(Electronicspatial extent)为570.9a.u.,是H—cN—0(123.3a.u.)的4倍 多,由于空间位阻的影响,4.取代反应不易进行,反应 中5.取代占绝对优势.反应物CONH2一C;N—O和 COOCH3一CN—O的电子空间范围分别为645.2和 947.1a-u.,4.取代和5.取代反应的活化势垒差分别为 20.9和19.3kJ/mol,由于空间位阻的影响.5.取代反应同 样占绝对优势. 2.4温度对反应区域选择性的影响 温度对反应的区域选择性也有很大影响,我们以 HOCNO+CHC=CH反应为例,根据过渡态理论】计 算反应速率常数,以讨论温度对反应区域选择性的影 响.在2004400K温度范围内,每隔20K记录一次数 值,得到反应在不同温度下的速率常数列于表5中. 表5不同温度下的反应速率常数(L?mol-l,S) Table5Reactionratesindifferenttemperature(L'mol-l,s一) 由表5数据可知,5.取代反应速率远远大于4.取代 反应,并且5.取代反应和4.取代反应的反应速率均随温 度升高而增大.常温下(298.15K),5.取代和4.取代反应 的反应速率常数分别为5.6和0.053L/(mol?s),活化势垒 分别为35.1和44.8kJ/mol,因此反应在常温下即可迅速 同时计算5.取代对4.取代反应的速率比值发现, 完成. 比值随温度升高而降低,这表明在高温条件下5.取代反 应的竞争优势相对降低,不利于得到高纯度的5一取代产 物.因此,为了获得高纯度的5.取代产物,反应温度应 该控制在常温附近. 3结论 氧化腈(RCNO)与富电子亲偶极体丙炔的反应中,5. 取代反应占优势.取代基的吸电子性增强,定位效应降 低,4.取代反应增加;温度升高,5.取代反应的竞争优势 相对降低,4.取代反应增加.含有吸电子取代基的氧化 腈与丙炔在较高温下易于发生4一取代反应;含有给电子 取代基的氧化腈与丙炔在低温下反应,可以得到高纯度 的5.取代产物. 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