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余志祥课题组十五年的[5+2+1]反应机理研究取得进展

作者:     来源?nbsp;    发布日期:2022-03-23

余志祥课题组的研究方?/span>之一是发展新?/span>成环反应?/span>并将其应用到天然产物?/span>药物以及?/span>?/span>功能分子?/span>合成?/span>?/span>同时?/span>课题?/span>?/span>通过计算化学?/span>机理实验研究反应机理?/span>余志祥课题组自成立以?/span>?/span>?/span>发展?/span>系列成环反应,可用于合成涵盖从四元环到八元环的环?/span>结构?/span>这些反应中有多个反应?/span>余志祥课题组和国内外多个课题组用于天然产物的全合成?/span>其中?/font>用于八元环合成的?/span>催化的烯-乙烯基环丙烷?/span>ene-VCP)与一氧化?/span>?/span>[5+2+1]环加?/span>反应?/span>余志祥课题组?/span>2007?/span>首次报道(?/span>1)。该反应为化学家合成极具挑战?/span>的八?/span>?/span>环提?/span>?/span>非常高效的方?/span>,已?/span>多次应用?/span>具有八元碳环骨架的天然产物及三奎烷类天然产物(基?/span>5/8并环的跨环反应)的全合成。例如,余志祥课题组最?/span>报道?/span>利用[5+2+1]环加?/span>反应六步合成天然产物isohirsut-4-ene?/span>Org. Lett. 202224, 1444?447?/span>?/span>

  

 

 

 

 

 

 ?/span>1?/span> [5+2+1]反应和利用该反应?/span>合成?/span>天然产物分子(人物素描由深圳?/span>龙华?/span>实验学校初中部学生沈欣提供)

 

然而,余志祥课题组在研究该反应机理?/span>过程?/span>?/span>遇到了许?/span>困难?/span>首先?/span>对于?/span>[5+2+1]环加?/span>反应这一类过渡金属催化的多步反应,很难选择合适的计算方法来准确描述所?/span>?/span>基元步骤,如配体?/span>?/span>位与解离、氧化加成?/span>迁移插入?/span>还原消除。此外,识别真正?/span>催化物种并了?/span>?/span>是如?/span>?/span>生的也是一项困难的任务?/span>最近,余志?/span>课题?/span>报道?/span>[5+2+1]环加成反应的详细机理研究,对这个困扰他们十五年的机理问题有了深入的理?/span>。作者首?/span>借助视觉动力学分析探?/span>?/span>反应体系中真正的催化物种。他?/span>发现[5+2+1]环加成反应对于催化剂[Rh(CO)2Cl]2?/span>氧桥底物1a都是0.5级的,这表明双核休眠种和单核催化物种之间存在化学平衡并有底物参与其中(?/span>2)。基于此,课题组研究人员提出反应的休眠种包含两个?/span>中心及一个底物分子,而催化物种包含一个铑中心和一个底物分?/span>?/span>此外?/span>课题组研究成?/span>还发?/span>CO的级?/span>是零?/span>?/span>?/span>?/span>休眠种中CO?/span>个数是反应决速步过渡态中CO个数的两倍(后续?/span>计算化学研究表明决速步过渡态中?/span>?/span>?/span>一?/span>CO配体)?/span>?/span>?/span>氮桥底物1b,余志祥课题?/span>发现催化?/span>和底物的级数仍然?/span>?/span>0.5,但?/span>对于CO的级?/span>?/span>-0.5,研究?/span>认为这是由于休眠?/span>的组?/span>发生?/span>变化。催化物种形成的过程中需?/span>从休眠种?/span>解离?/span>CO,这使得CO?/span>压增大反而会对反应产生一定的抑制?/span>

?/span>2双核休眠物种与单核催化物种之间的转化?/span>图片来源?/span>JACS?/span>?/span>

接下来,课题组研?/span>?/span>?/span>利用细致?/span>计算化学方法基准研究评估了不同计算方法在预测?/span>催化环加成反应基元步骤的热力学和动力学上的表现,并最终决定分别使?/span>BMK泛函?/span>DLPNO-CCSD(T)方法进行结构优化和高精度单点能计算。研究结?/span>表明[5+2+1]环加成反?/span>的催化循?/span>?/span>单核?/span>物种与底?/span>?/span>配位出发?/span>随后发生氧化加成?/span>烯烃?/span>?/span>和羰?/span>插入,最?/span>通过还原消除得到相应?/span>5/8并环?/span>?/span> (?/span>3和图4)?/span>?/span>[5+2+1]反应?/span>氧化加成(即环丙烷的开环步骤)?/span>?/span>反应的决速步?/span>而可能的[5+2]反应中的还原消除步骤在动力学上比CO的配?/span>/插入慢而不能与[5+2+1]反应竞争?/span>从?/span>很好?/span>理解了该反应发生的原?/span>?/span>

?/span>3. [5+2+1]环加成反应的催化循环?/span>图片来源?/span>JACS?/span>?/span>

?/span>4. [5+2+1]环加成反应在DLPNO-CCSD(T)/def2-TZVPP:SMD(1,4-dioxane)//BMK/def2-SVP水平下计?/span>得到的吉布斯自由能面 ?/span>图片来源?/span>JACS?/span>?/span>

除此以外?/span>研究?/span>结合机理实验和计算化学对底物?/span>反应?/span>?/span>、反应的立体选择性和化学选择性进行了讨论,由此完成了?/span>[5+2+1]环加成反应机理的系统性研?/span>?/span>对该工作十五年的研究结果的“一五一十”的详细描述可以参考原文献 (Yi Wang, Wei Liao, Yuanyuan Wang, Lei Jiao, and Zhi-Xiang Yu, J. Am. Chem. Soc. 2022144, 2624-2636)?/span>

[5+2+1]环加?/span>反应?/span>机理研究是在余志?/span>教授指导下由课题组的王熠博士?/span>廖伟博士,王源源博士、焦雷博?/span>完成?/span>该项目得?/span>?/span>基金委重点项?/span>《金属催化环加成反应机理研究和反应发展》(21933003)、北京分子科学国家研究中?/span>和北京大学高性能计算平台?/span>大力支持?/span>

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