Rh催化C-C鍵選擇性活化反應的密度泛函理論研究進展

李江平

(云南師范大學，云南 昆明 650500)

C—C鍵普遍存在于有機分子中，催化C—C鍵活化可有效改變復雜有機分子的合成方式，特別是從C—C鍵選擇性活化開始，隨后將各種不飽和鍵插入特定的C—C鍵，對于獲得特定的骨架非常有效[1-4]。但因C—C鍵的動力學惰性和熱力學穩定性使得活化C—C鍵具有很大挑戰。值得高興的是，近年來，在過渡金屬催化劑的存在下，可以通過氧化加成、β—C消除和烯丙基化等方式使C—C鍵活化[5-13]。銠是在催化C—C鍵選擇性活化中起到重要作用的一類過渡金屬，它不僅能使張力環分子的C—C鍵斷裂，同時也能輔助導向基團使C—C鍵選擇性活化[14-16]。關于過渡金屬催化C-H鍵活化的理論研究成果不斷被總結[17-19]，但針對過渡金屬催化C—C鍵活化特別是Rh催化的綜述尚未見報道，因此本文對近些年來Rh催化C—C鍵選擇性活化反應的DFT研究作出了綜述，以四元環以及直鏈上的C—C鍵選擇性活化為主線，重點對C—C鍵活化步驟的機理和選擇性進行闡述。

1 Rh催化四元環上的C—C鍵選擇性活化反應

四元環分子存在著巨大的環張力，開環消除環應變可以為C—C鍵活化提供強大的熱力學驅動力，因此，活化四元環上的C—C鍵是構建復雜分子強有力的手段。

2012年，Xu課題組[20]報道了銠催化苯并環丁烯酮的區域選擇性碳酰化反應。為近一步探究區域選擇性的來源，2015年，Lu等人[21]對苯并環丁烯酮衍生物發生C—C鍵活化時是C1—C2鍵斷裂還是C1—C4鍵斷裂進行了詳細的DFT研究(如圖1所示)，計算結果顯示C1—C4鍵通過過渡態TS2-3發生活化時僅需越過 18.6 kcal/mol 的能壘，而通過過渡態TS2-4發生C1—C2鍵活化則需要高達 39.5 kcal/mol 的能量，此外C1—C4鍵活化路徑得到的中間體INT3比C1—C2鍵活化得到的中間體INT4穩定很多(-17.2vs1.3 kcal/mol)，過渡態TS2-3較TS2-4在熱力學上更穩定以及此條路徑在動力學上更為可行，由此可推測活化C1—C4鍵是該反應的較優選擇。作者推測這可能與烷氧基離催化劑上的大體積配體的距離有關。

圖1 銠催化苯并環丁烯酮C—C鍵選擇性活化 步驟的勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

值得注意的是，2019年，Cheng課題組[22]對Xu等人[20]的實驗提出了不同的機理，作者認為銠與環丁酮氧絡合后可以選擇性活化烷氧基上的雙鍵而不活化環丁酮上的C—C鍵。計算結果顯示(如圖2)，無論是R(虛線)還是S(實線)反應的C—C鍵活化均可一步完成，且S反應的C—C鍵活化(TS5-7:ΔG=8.3 kcal/mol)在能量上比上述Lu等人[21]的多步機理更占優勢。

圖2 銠催化苯并環丁烯酮C—C鍵選擇性活化 步驟的勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

2017年，Qin課題組[23]報道了2-烷基苯并環丁酮擴環反應的DFT研究，計算結果顯示(如圖3)該反應主要通過氧化加成，β—H消除，氫化和C—C還原消除等步驟發生。當苯環上不存在取代基時，更傾向于C1—C2鍵活化開環，僅需要跨越 23.5 kcal/mol 的自由能壘(TS14-15)。

2019年，Deng課題組[24]報道了銠催化環丁酮C—C鍵活化合成5,6-稠合雙環和C2-取代環丁酮的反應，并利用DFT對選擇性的來源進行了研究。計算結果顯示(如圖4)環丁酮C—C鍵活化存在三條路徑，其中氮甲苯磺酰基氧與銠中心的弱配位扮演著重要角色，弱配位能有效穩定關鍵結構。因此最有利的C—C鍵活化通過過渡態TS17-18(ΔG=22.0 kcal/mol)發生，取代較多的C—C鍵活化并得到中間體INT18。經過渡態TS19(ΔG=27.1 kcal/mol)和TS20(ΔG=29.1 kcal/mol)的C—C鍵活化因缺乏配位需要跨越更高的能壘，與實驗中觀察到的高選擇性一致。在此文中最少取代的C—C鍵的活化在動力學上是最不利的，即位阻較小的C—C鍵更不容易被活化。

圖3 銠催化2-烷基苯并環丁酮擴環反應的機理以及部分勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

圖4 銠催化環丁酮C—C鍵選擇性活化步驟的勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

配體會顯著影響C—C鍵活化的能壘。基于此，2020年，Ham等人[25]嘗試使用銠催化α-羥基β-內酰胺的C—C鍵活化來合成氮稠雜環(如圖5)。令人出乎意料的是，添加配體不僅能有效降低C—C鍵的活化能壘，還能使其出現選擇性。經DFT計算得出此反應在配體Xantphos的協助下，遠端C—C鍵經過渡態TS24-26活化需 12.8 kcal/mol 的能量，而近端C—C鍵活化(通過過渡態TS25-27)需 18.6 kcal/mol 的能量，結合連接到銠中心的酰胺?；屯榛g的強度差異導致INT26和INT27之間的結構差異，使得INT26更穩定(兩者之間能量差 6.4 kcal/mol)，所以觀察到的遠端C—C鍵斷裂路徑是有利的，這與實驗結論一致。

2020年，Zhang等人[26]在之前研究的基礎上對環丁酮的開環反應做了一步的理論研究。計算結果顯示(如圖6)，對于C2取代的環丁酮可經過渡態TS29-30(ΔG=14.3 kcal/mol)發生C1—C2鍵活化，或經過渡態TS29-31(ΔG=7.2 kcal/mol)發生C1—C4鍵活化，后者較于前者低 7.1 kcalmol-1，則遠端的C—C鍵斷裂更有優勢，與上述結論一致，作者認為相互作用及畸變能導致了這種選擇性，此結果與實驗觀察一致。

圖5 銠催化α-羥基β-內酰胺C—C鍵選擇性活化步驟的勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

圖6 銠催化環丁酮C—C鍵選擇性活化步驟的勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

2 Rh催化直鏈上的C—C鍵選擇性活化反應

鏈狀化合物因不具有環張力而較為穩定，因此C—C鍵活化大多只存在具有環應變或使用導向基團的體系。

鑒于此，2018年，Kong小組[27]對銠催化1,4-二苯基丁基-3-炔-1,2-二酮羰基化過程中的反應選擇性開展了理論研究。計算結果顯示使用Xantphos作為配體時，反應經歷了兩次氧化加成，在第一次氧化加成中，C—C鍵活化存在三條路徑(如圖10)，當銠催化底物的羰基和羰基之間的C—C鍵通過過渡態TS33-34活化時需要跨越的能壘為 43.1 kcal/mol。而經歷過渡態TS35-36(或TS37-38)時底物的芳基和羰基之間的C—C鍵(或底物炔基和羰基之間的C—C鍵)發生活化，此時需要越過的能壘為30.0 (或27.0) kcal/mol。根據能壘，通過過渡態TS37-38發生C—C鍵活化是最為有利的。在第二次氧化加成中，芳基C與羰基C(TS39-40)之間的活化能壘較羰基C與炔基C(TS39-41)間的活化能壘高 21.0 kcal/mol。因此兩次氧化加成均是底物炔基和羰基之間的C—C鍵活化最為有利，這可能與C—C鍵之間的極性大小有關。

圖7 銠催化二酮C—C鍵選擇性活化步驟的勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

2020年，Li等人[28]對銠催化烯丙基苯的烯基化反應中C—C鍵是通過β—C消除活化還是通過氧化加成活化，以及影響C—C鍵在2位或者5位活化的因素開展了DFT研究(如圖8)。由計算結果可知，C—C鍵通過氧化加成或β—C消除發生活化需要克服的Gibbs 自由能壘分別為 44.9 kcal/mol(TS44)和 18.2 kcal/mol(TS45)，表明在 90 ℃ 的實驗條件下，通過氧化加成發生C—C鍵活化是不可能的，作者推測這可能與氧化加成途徑產生的陽離子銠-氫配合物極其不穩定有關。此外，β—C消除途徑中C—C鍵經2位活化(TS49-51)形成Rh-N配位中間體的過程僅需跨越16.0 kcal/mol Gibbs 自由能壘，經5位活化(TS48-50)時能壘為 27.1 kcalmol-1，考慮到前者的關鍵過渡態的相對能量均低于后者，則此反應傾向于得到2-位烯基化產物。說明吡啶基N的配位有利于穩定活化過渡態與中間體。計算結果與實驗觀察一致。

圖8 銠催化烯丙基苯烯化反應中C—C鍵選擇性活化的勢能剖面圖(能量:kcal/mol)

3 結論與展望

本文對近些年Rh催化C—C鍵選擇性活化反應的密度泛函理論研究進展做了綜述，對該類反應C—C鍵活化步驟的詳細機理和區域選擇性來源做出總結。多數C—C鍵活化反應的區域選擇性主要與C—C鍵的穩定性和生成物質的穩定性有關，例如，空間位阻、弱配位、共軛、極性等。然而，現有的活化C—C鍵的方法仍不成熟，通常依賴于底物特性，如環應變、芳構化、螯合或協同輔助來誘導C—C鍵活化。相信經過更多化學工作者的努力，在計算化學的輔助下，這一領域的研究會變得更加完善。