铜催化苯酚耗氧氧化和氧化二聚反应的机理研究

Benzene derivatives and their dearomatization derivatives have wide application in the synthesis of pharmaceuticals, pesticides, functional materials and synthetic intermediates, and Cu-catalyzed aerobic oxidation and oxidative dimerization of phenols provide a green and sustainable way to prepare these compounds. The development of Cu-catalyzed aerobic transformation of phenols is hampered by troublesome selectivity control and non-ideal functional group tolerance, and accurately grasping reaction mechanism is the key point of settling these problems. In this context, this project plans to employ quantum-chemical calculation as a major tool in conjunction with experimental methods to perform systematic mechanistic studies on several representative reactions, including Cu-catalyzed aerobic transformation of phenols to benzoquinone, 2,2'-biphenol, oxacyclobutene and oxacycloheptatriene derivatives, the mechanisms of which are controversial or unclear. These studies will elucidate the favored mechanisms of above target reactions and their competitive side reactions, clarify the origin and principal of selectivity control induced by reaction conditions like copper salts, ligands, bases and additives, and shed light on new strategies for experimental improvement. The obtained achievements from this project are expected to consummate and supplement the knowledge of Cu-catalyzed aerobic transformation of phenols from the aspects of reaction mechanism and structure-activity relationship of reaction condition, and to provide valuable theoretical guidance for the further development of this field.

苯衍生物及其去芳构化衍生物在制备医药、农药、功能材料和合成中间体等方面有广泛用途，而铜催化苯酚耗氧氧化和氧化二聚反应为获取这些化合物提供了一种绿色可持续的方法。目前铜催化苯酚耗氧转化反应的发展面临着择性性控制困难和官能团兼容性不理想的问题，准确地把握反应机理是解决上述问题的有效之道。本项目拟采用量化计算方法为主并结合实验手段，选取机理存疑或不明的若干代表性反应，包括铜催化苯酚到苯醌、2,2'-联苯酚、氧杂环丁烯和氧杂环庚三烯衍生物的耗氧转化等开展系统研究。这些研究将阐明上述目标反应和竞争副反应的优势机理，澄清铜盐、配体、碱、添加剂等反应条件调控反应选择性的原理与规律，挖掘出实验改进的新方案。本项目所获得的研究成果将从反应机理和实验条件的构效关系这两方面完善和补充铜催化苯酚耗氧转化领域的知识，为该领域的后续发展提供有价值的理论指导。

铜催化的耗氧氧化反应为苯酚的化学转化提供了一种绿色方法。耗氧反应的转化途径丰富，选择性的调控是发展高效反应的关键。阐明反应选择性调控机制对反应开发有指导意义。本项目以理论计算和实验相结合的方式，对铜催化苯酚耗氧氧化形成邻苯醌、联苯酚和苯并氧杂环庚三烯的反应开展系统机理研究。. 根据实验数据和高精度算法结果进行的方法筛选发现BLYP-D3/SMD//TPSS-h方法在铜氧络合物的计算中具有良好准确性，而常见的杂化泛函在能量计算中普遍表现不佳。. 苯酚向邻苯醌转化经过α-羟基酮中间体。双核铜催化是苯酚转化为α-羟基酮的优势机理，主要经历质子耦合的电子转移（PCET）和内层的C−OH键还原消除。单核铜催化是α-羟基酮转化为邻苯醌的优势机理，主要经历Cα−H键断裂和自旋态交叉驱动的O−H键断裂。. 分子筛对反应选择性的调节并不是通过除水在热力学上驱动特定反应。在没有分子筛的情况下，水相由于过量胺配体的存在而呈弱碱性。氢氧根取代铜络合物上的阴离子配体从而促进酚的进一步脱质子形成铜酚络合物。二价铜酚络合物通过释放酚自由基再生Cu(I)催化剂，而酚自由基发生自身偶联形成联苯酚。. 联苯酚同样通过双核Cu(III)氧络合物催化形成二酮中间体，接着自身发生环合和扩环成为苯并氧杂庚三烯类化合物。使用单齿胺配体时，双核Cu(II)络合物发生歧化并和联苯酚反应形成氢氧根桥连的双核Cu(III)络合物导致催化剂失活。使用双齿胺配体时，联苯酚倾向于和LCu(OH)2络合物反应并再生催化剂，避免催化剂失活。. 本项目的研究筛选出了一种计算铜催化耗氧反应的合理方法，有望应用于其它同类反应的计算研究。阐明了苯酚到邻苯醌、联苯酚和苯并氧杂环庚三烯类化合物的机理细节，发现了分子筛和配体调控化学选择性的新模式，拓展了铜催化耗氧反应的知识点，并为反应开发提供深入的见解和理论指导。