金属氮宾高效引发选择性C-H键插入不对称合成C-N键反应的理论研究

Efficient asymmetric insertion into C-H bonds mediated by metal-nitrene has been the critical and hot issue in organic chemistry which fit for the needs of high-efficiency, high-selectivity, atom-economical and environment-friendly. However, there still exist some critical challenges about the mechanism of metal nitrenoid formation and high-selectivity (chemo-, regio-, enantio- and stereoselectivity) have not been resolved. In this project, on the basis of theoretical chemistry, detailed and systematic DFT, Ab initio and QM/QM (MM) studies are presented to understand the mechanisms of metal-nitrene catalyzed C-H amination reactions. All analysis and discussions are on the basis of the four most probable factors involving in determining the mechanism and selectivity: (a) the metal center; (b) the ligand effect; (c) the substituent on the nitrene-N atom; (d) the substituent on the inserted C-H bond. We try to investigate the active species, the reaction reactivity, the multistate potential-energy surfaces, the manner of C-H bond approach to nitrene-N atom, the chemo-, regio-, stereo- and enantioselectivity, and the relationship between the mechanism and selectivity. These fundamental guidelines would help advance the development of efficient and structurally favorable metal-nitrene catalysts for asymmetric insertion into C-H bonds rather than aziridination.

利用金属氮宾高效引发选择性C-H键插入进行不对称合成C-N键的反应对有机合成具有战略意义，适应催化反应对高效、高选择性、绿色环保和"原子经济性"的要求，是有机化学研究的热点。但高效金属氮宾生成机理和高选择性（化学、区域、对映和立体）因素还不清楚。本项目以理论化学为基础，利用密度泛函理论、从头算方法以及QM/QM(MM) 方法，对金属氮宾高效引发选择性C-H键插入不对称合成C-N键的反应进行系统而深入的理论研究。从影响C-H胺化反应的四个最可能因素（金属中心、配体效应、氮宾N上取代基效应、底物C-H键取代基效应）出发，考察活性中间体、反应活性、多态势能面、C-H进攻氮宾的方式、化学与区域选择性、立体和对映选择性以及它们的内在关系和规律等关键理论问题。从而为改进已有的金属氮宾体系，有效预测和指导设计新的用于抑制氮杂环化而剂量式引发高对映选择C-H键氮插入的催化剂提供思路。

本项目以理论化学为基础，利用密度泛函理论对金属氮宾高效引发选择性C-H键插入合成C-N键的反应进行系统而深入的理论研究。前人认为供电子能力强的基团有利于稳定单态的双铑氮宾，但我们的结果表明供电子能力强的酰胺配体双铑催化剂有利于稳定三态双铑氮宾：反应活性低有利于分步路径；相反，反应活性高有利于协同路径。我们以芳香叠氮化合物为氮源，研究了Rh2(esp)2催化的分子内脂肪族C−H键氨基化反应：第一步形成金属氮宾中间体；第二步氮宾中间体发生分子内的C−H键氮插入反应，这一步有两种路径，即是单态的协同路径和三态的分步路径。从金属氮宾的单三态能差以及反应路径的能垒来看，三态的路径更优，这种优越性与实验结果相符。我们系统地研究了Rh-Rh、Ru-Ru、Pd-Mn、Pd-Co、Pd-Ni、Pd-Zn等双核船桨型配合物的催化活性本质及其对应的氨化反应机理，着重探讨氮宾插入氨化反应的第一步，即拔氢步骤。通过计算发现该步骤存在三种可能的类型：氢原子转移（对应三态氮宾）、氢负转移（对应单态氮宾）以及新发现的质子转移（对应单态氮宾）。同时也对氮宾体的电子态进行了研究，发现Pd-Ni与Pd-Zn体系容易生成三态氮宾，Ru-Ru与Pd-Mn体系则容易生成氮化物，Rh-Rh与Pd-Co体系则表现出对单三态氮宾、氮化物的可调控选择性。再依据反应的势垒以及产物的选择性，评估得出Pd-Co、Pd-Mn与Pd-Ni配合物可以作为双铑双钌催化剂的廉价催化剂替代品。我们研究了双铑催化剂Rh2(OCHO)4和Rh2(esp)2引发芳基叠氮化合物的脂肪族C–H键胺化，结果表明这两种催化剂的催化机理相似：双铑金属配合物先与底物配位后释放出氮气并形成金属氮宾，此为速控步骤；然后金属氮宾发生分子内C–H键转化为C–N键，研究指出三态的拔氢步骤比单态的更可行。我们采用不同电子性质的氮源，通过改变铁卟啉氮宾结构中心金属铁的电子态，从而对C-H胺化反应机理进行调控，研究指出吸电子性质的取代基氮源更有利于C-H胺化反应的进行。另外，我们还在金属镍掺杂石墨烯催化CO氧化能力、钌配合物催化脱氢反应等方面做了一些扩展研究。