華中科技大學(xué)廖榮臻和李曼課題組采用高精度密度泛函理論計(jì)算，系統(tǒng)研究了鈀(0)和銅(I) 協(xié)同催化異氰酸酯與烯丙基碳酸酯反應(yīng)生成烯丙基吲哚的機(jī)理，并通過對主要競爭反應(yīng)即生成N-烯丙基氨基甲酸酯化合物的探究，揭示了產(chǎn)物選擇性的起源。
過渡金屬催化是現(xiàn)代有機(jī)合成中精準(zhǔn)構(gòu)建化學(xué)鍵強(qiáng)有力的工具。雙過渡金屬協(xié)同催化策略因其可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典單金屬催化難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)而受到廣泛關(guān)注。雙過渡金屬協(xié)同催化采用兩種催化劑分別活化兩種底物，從而有效降低反應(yīng)勢壘，大大提高反應(yīng)發(fā)生的概率。在眾多已報(bào)導(dǎo)的雙過渡金屬協(xié)同催化反應(yīng)中，Pd/Cu協(xié)同催化表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。2002年，Yamamoto等人報(bào)道了Pd/Cu協(xié)同催化 2-(1-戊炔基)苯基異氰酸酯與烯丙基甲基碳酸酯吲哚的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明(圖1)，單獨(dú)使用Pd(PPh3)4催化劑時(shí)，反應(yīng)只能生成N-烯丙基氨基甲酸酯化合物P1；使用Pd(PPh3)4和CuCl共催化時(shí)，反應(yīng)則能選擇性生成目標(biāo)產(chǎn)物吲哚。
圖1 Pd催化N-烯丙基氨基甲酸酯化合物的形成 (1) 和Pd/ Cu協(xié)同催化吲哚的產(chǎn)生 (2) 為揭示這一Pd/Cu協(xié)同催化反應(yīng)機(jī)理，明晰反應(yīng)中各催化劑的作用以及產(chǎn)物選擇性的來源，廖榮臻教授課題組采用DFT計(jì)算對上述反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。計(jì)算結(jié)果表明，單獨(dú)使用Pd(PPh3)4催化劑，在動力學(xué)上生成吲哚產(chǎn)物遠(yuǎn)不如生成N-烯丙基氨基甲酸酯有利；CuCl催化劑的加入可以顯著降低分子內(nèi)環(huán)化步驟的能壘，有效地促進(jìn)吲哚產(chǎn)物的形成。進(jìn)一步對環(huán)化過程的分析表明，CuCl可以作為Lewis酸以π-配位方式活化直線型C≡C鍵，這種配位模式一方面增強(qiáng)了炔基的親電性；另一方面，配位后的炔基在形成五元環(huán)過渡態(tài)時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形變較小，有助于異氰酸酯向吲哚產(chǎn)物的選擇性轉(zhuǎn)化。 圖2 生成目標(biāo)產(chǎn)物的關(guān)鍵過渡態(tài)結(jié)構(gòu) 該理論計(jì)算研究揭示了Pd/Cu協(xié)同催化氰酸酯選擇性轉(zhuǎn)化為吲哚的反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)物選擇性起源，為理解協(xié)同催化反應(yīng)過程和影響產(chǎn)物選擇性的因素提供了理論依據(jù)。 論文信息 Mechanistic Insights into the Synergistic Effect of Palladium(0) and Copper(I) on the Selective Transformation of Isocyanate to Indole Cai-Yun Ding, Dr. Man Li, Prof. Dr. Rong-Zhen Liao Chemistry – An Asian Journal DOI: 10.1002/asia.202201259
