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硼杂环丙烷的直接合成及其机理的计算模拟研究2018-11-06

环丙烷杂原子取代类似物是一类具有高环张力而有着丰富化学反应性的化合物,可以作为重要的有机合成中间体,广泛应用于有机化学、药物化学以及材料化学等领域。其中,氮杂环丙烷、氧杂环丙烷、硅杂环丙烷较为普遍,并有着较为成熟的制备方法。然而,硼杂环丙烷(borirane)(图1)却鲜见于文献报道中,由于该化合物兼具环张力和路易斯酸性,导致其反应活性更高,合成起来更具有挑战性。

图1. 硼杂环丙烷(borirane)的结构

目前,硼杂环丙烷的合成主要采用以烯烃为起始原料的间接合成法,依赖于提供反应驱动力,如光子或者引入易离去基团,来克服产物中不利的高环张力。近期,美国匹兹堡大学Dennis Curran课题组和刘鹏(Peng Liu)教授课题组合作报道了通过氮杂环卡宾硼烷(NHC-borane)双硼氢化丁炔二酸二甲酯(Dimethyl Acetylenedicarboxylate)直接合成氮杂环卡宾稳定的硼杂环丙烷(图2),并对该反应的机理进行了深入的计算模拟研究。值得注意的是,该反应是首例通过硼氢化炔烃来合成路易斯碱稳定的硼杂环丙烷。

图2. 氮杂环卡宾硼烷硼氢化丁炔二酸二甲酯的实验结果

首先,Dennis Curran课题组基于NHC-borane不能硼氢化普通炔烃,却能硼氢化亲电性更好的芳香炔烃(aryne)以及NHC-borane本身是很好的负氢(hydride)供体的事实,提出“NHC-borane或许可以通过负氢转移的过程(hydride transfer)来硼氢化缺电子的炔烃”的假设。由此,他们设计了不同取代基取代的NHC-borane与丁炔二酸二甲酯反应(图2),实验得到不同比例的硼杂环丙烷(7a-d)与相应的烯烃硼烷(8a-d)的产物。而且反应产物的比例受NHC-borane取代基的影响,取代基体积越大,产物中硼杂环丙烷的比例越大。当使用2,6-二异丙基苯基(dipp)取代的NHC-borane,硼杂环丙烷的产率达到了80%,且仅有5%的烯烃硼烷产物(图2, entry d)。更加有趣的是,该反应专一性地得到反式硼杂环丙烷以及反式烯烃硼烷,暗示该反应机理不同于普通炔烃的硼氢化反应,后者通过协同四元环机理形成顺式加成的产物。此外,作者验证了生成的硼杂环丙烷与烯烃硼烷都具有很好的稳定性,在室温或者溶液中加热的条件下并不能互相转化。

与此同时,刘鹏(Peng Liu)课题组利用基于密度泛函理论(DFT)计算以及准经典的波恩-奥本海默分子动力学方法(quasi-classical Born-Oppenheimer molecular dynamics)来探索该反应生成两种产物的机理,其中最优势的反应途径如图3所示。首先,NHC-borane(5a)通过负氢转移的过渡态(TS1)将自身负氢转移到炔烃(6)上,形成弱的两性离子复合物(10),随即会配合一分子四氢呋喃溶剂分子形成更稳定的阴阳离子对(11)。值得注意的是,该负氢转移的过渡态(TS1)采取优势的反式构型,比其相对应的顺式负氢转移过渡态反应能垒低5.0 kcal/mol,由此解释了产物的反式选择性。随后,THF配合的硼鎓阳离子将会从形成的烯烃阴离子π轨道方向加成,其对应的过渡态是TS2•THF。为了确认硼鎓阳离子加成反应的产物,作者利用Born-Oppenheimer molecular dynamics(BOMD)对TS2•THF进行动力学模拟。先由TS2•THF结构出发通过简正振动频率取样产生100个初始结构分别进行分子动力学模拟。在生成的100个轨迹中,其中有15个得到了反式硼杂环丙烷产物,85个得到了烯烃硼烷的产物,其比例大致与实验值(33:67)一致(图2, entry a)。更为重要的是,通过BOMD模拟,作者证明了由单一过渡态TS2•THF可以同时得到硼杂环丙烷和烯烃硼烷两种产物,该过程中并无稳定的中间体和其他过渡态存在。

图3. 形成硼杂环丙烷产物和烯烃硼烷产物的机理(能量单位是kcal/mol,数值相对于5a+6

为了更好地阐明形成两种产物的过程,作者列举了两条形成各自产物的BOMD轨迹(图4)。可以看出,由TS2•THF向硼鎓阳离子和烯烃阴离子远离方向的动力学模拟都得到了两性离子复合物(约40 fs)。而沿着两者靠近方向的模拟,起初两条轨迹并无二致,都是先依次形成两根B-C键(B-C1和B-C2)进而得到三元环的结构,随后才“分道扬镳”。若是三元环中硼上的氢转移到C2上,则形成硼杂环丙烷的产物;若是硼继续靠近C2导致B-C1键断裂,则形成烯烃硼烷的产物。

图4. 代表性的生成两种产物分子的动力学轨迹

综上所述,作者设计并发现了通过氮杂环卡宾硼烷双硼氢化炔烃直接合成稳定的氮杂环卡宾硼杂环丙烷的新反应,该一步反应牵涉到4根旧化学键的断裂和4根新化学键的形成。与此同时,该反应也会通过1,2-硼氢化反应生成烯烃硼烷产物。DFT理论计算揭示出该反应在经历最初的负氢转移机理后,会通过不同的反应路径分别形成硼杂环丙烷和烯烃硼烷两种产物。此外,两种产物的比例受氮杂环卡宾硼烷上氮取代基的影响,取代基越大,反应速率越慢,但却可以得到更多比例的硼杂环丙烷产物。该反应的合成简易性和生成产物的稳定性都为研究并不常见的硼杂环丙烷化学提供了新的思路。

该成果发表在J. Am. Chem. Soc.上,实验部分主要由匹兹堡大学Dennis Curran课题组博士研究生Timothy R. McFadden完成,计算模拟部分由刘鹏(Peng Liu)课题组博士研究生方成(Cheng Fang)完成。

该论文作者为:Timothy R. McFadden, Cheng Fang, Steven J. Geib, Everett Merling, Peng Liu , and Dennis P. Curran