Silylium-Ionen-vermittelte 2+2-Cycloaddition führt zu 4+2-Diels-Alder-Reaktionsprodukten

Bildung von Π-Komplexen M-int1(M = Ag oder Cu)

Im Silberfall ergibt die Koordination von 2,2′-Bipyridin (bpy) mit dem Katalysatorsalz AgOTf die Bi-Komplexe -das koordinierte aktive Zentrum L-Ag + ist um -23,1 kcal / mol relativ exotherm (Abb. 3a). Der nächste Schritt ist die Koordination von Phthalazin 1a und Siloxyalkinen 2a mit dem entblößten aktiven Zentrum L-Ag+, um einen um -30,3 kcal/mol exothermen Komplex Ag-int1 zu erhalten.

Abb. 3: Reaktionsprofile der Bildung von-Komplexen Ag-int1 und Cu-int1.

Gibbs freie Energien sind in kcal/mol. Das Wasserstoffatom wurde weggelassen und die Triisopropylsilyl (TIPS) -Gruppe wurde zur Verdeutlichung zu Big Ball vereinfacht. ein Reaktionsprofil; b Optimierte Geometrien.

In der Kupfer(I)-katalysierten IEDDA-Reaktion ist die Bildung von Cu-int1 sehr exergonisch (-60,8 kcal/mol). Die höhere exotherme Energie der Bildung Cu-int1 kann durch einen relativ kleinen Durchmesser und eine hohe positive Ladungsdichte von Kupfer (I) verursacht werden. Cu-int1 ist strukturell kompakter im Vergleich zu Ag-int1, und Siloxyalkin 2a ist stärker mit Kupfer (I) Atom (Abb. 3b). Sowohl in Cu-int1 als auch in Ag-int1 verlängern sich die signifikanten Abweichungen von Siloxy 2a von der Linearität und in Cu-int1 die Dreifachbindung C2-C3 von 1,21 Å auf 1.23 Å, während in Ag-int1 C2-C3 Bindung zu 1,22 Å verlängern. Der Bindungswinkel von ∠C1C2C3 variiert von 180 ° bis 163,37 ° in Cu-int1 und 170,6 ° in Ag-int1. Aktuelle Literatur hat einige gut charakterisierte Kupfer(I) und Silber(I) koordinierte Alkine п-Komplexe aufgedeckt und bestätigt, dass Kupfer(I) in diesen п-Komplexen stärker mit Alkinen koordiniert als Silber(I)29. Das H1-NMR- und C13-NMR-Experiment bestätigen auch offensichtliche Wechselwirkungen zwischen Siloxyalkinen mit Ag (I) in DCM30.

Beachten Sie, dass die Silberkomplexe Ag-in1 und Cu-int1 das stabilste Zwischenprodukt sind Vor der Reaktion wählen wir Ag-int1 und Cu-int1 als Nullpunkt für Silber (I) bzw. Kupfer (I) katalysiertes IEDDA in der folgenden Diskussion.

Silberkatalysierte Cycloaddition

Thermische Einschränkungen der Orbitalsymmetrie stellen eine große Herausforderung für die direkte Cycloaddition dar. Ferner muss die direkte Cycloaddition von 1a und 2a die Aromatizität des Phthalazinrings erhöhen. Unsere Berechnung zeigt, dass die Barriere dieses Prozesses so hoch wie 54,6 kcal/mol. Übergangsmetall bietet die Aussicht, die Cycloaddition durch aktive Alkine aufgrund von Valenz-d-Orbitalen und niedrigerer Energie metallacyclischer Zwischenprodukte zu fördern. Die metallkatalysierte Reaktion wurde ebenfalls theoretisch untersucht31,32.

Ähnlich wie bei den meisten metallkatalysierten Cycloadditionsreaktionen ist die nukleophile Addition von Phthalazinen 1a mit durch L-Ag + aktiviertem Siloxyalken 2a der erste Schritt (Abb. 4a).

Abb. 4: Formation Silber koordinierter viergliedriger Ringkomplex Ag-int3.

L bezieht sich auf 2,2′-Bipyridin (bpy). Gibbs freie Energien sind in kcal/mol. Das Wasserstoffatom wurde weggelassen, die Triisopropylsilyl (TIPS) -Gruppe wurde zu einer großen Kugel vereinfacht und das Kohlenstoffatom des Liganden war zur Verdeutlichung weiß getarnt. ein Reaktionsprofil; b Optimierte Geometrien.

Unsere Berechnung zeigt, dass die Bildung von Ethylensilberspezies Ag-int2 bei Raumtemperatur mit einer Barriere (Ag-TS1) 19,5 kcal / mol energetisch zugänglich ist (Abb. 4a), untere Barriere dieses Prozesses ist vor allem, weil das einsame Paar von Sauerstoffatomen in der Ag-TS1 Konjugat mit den Orbitalen von Alkin, um die positive Ladung von Silber (I) zu stabilisieren. Die NBO-Ladungsverteilung zeigt die positive Ladung, die von Silber (I) auf das Stickstoffatom von Ag-int1 auf Ag-int2 übertragen wird (N-Atom von -0,36 auf -0,12, Ag-Atom 0,71 auf 0,52). Das Phthalazin 1a bleibt in der Ethylensilberspezies Ag-int2 nahezu planar, was darauf hindeutet, dass die Aromatizität von 1a in diesem Schritt nicht vollständig zerstört wird (Fig. 4b). Ein alternativer Schritt zur Gewinnung von Ethylensilber kann über den Angriff des Siloxyalkins vom C2-Punkt erfolgen, der mit einer Barriere von 32,4 kcal/mol energetisch ungünstig ist.

Der Ag-int2 in Silber(I) koordinierte viergliedrige Ringkomplex Ag-int3 ist energetisch zugänglich mit einer Barriere (Ag-TS2) von 14,3 kcal/mol. Im Vergleich zur direkten Cycloaddition zwischen 1a und 2a kann der Silber (I) -Katalysator die Barriere dieses Prozesses effizient senken (54,6 kcal / mol gegenüber 19,5 kcal / mol). Experiment bestätigte auch, dass Silber (I) und Kupfer (I) Cycloaddition von Siloxyalkinen und substituierten Alkenen mit ziemlich guter Ausbeute bei Raumtemperatur katalysieren können16,30.

Silylium-Ionen-vermittelte viergliedrige Ringumlagerung (Pfad a)

Direkte Migration von Triisopropylsilylion (TIPS+) zu quaternären Ammoniumspezies Ag-int4a ist energetisch ungünstig mit einer Barriere (Ag-TS3a, siehe ergänzende Daten 20) 31,9 kcal/mol. Silyliumion ist notorisch instabil, und TIPS + Ionen dissoziieren direkt durch SN1 Weg ist auch energetisch ungünstig mit einer Barriere so hoch wie 49.1 kcal/mol. Doch gegen unsere chemische Intuition, dissoziieren von TIPS+ durch OTf- Anion SN2 nucleophilen Angriff ist ganz einfach mit einer Barriere (Ag-TS3) nur 14,9 kcal / mol (Abb. 5a). Die hohe Affinität von Silber(I) zum Alkenanion kompensierte die Bildungsenergie von TIPSOTf und machte diesen Prozess mit nur 5,8 kcal/mol zugänglich. Die stabilisierte Energie von L-Ag+ im Ag-int4b so hoch wie 33,1 kcal/mol. Die starke Wechselwirkung von Silber (I) mit Alken machte Ag-int4b zu einer sehr guten Abgangsgruppe. Üblicherweise sind schwache Lewis-Basen wie SO4−, OTf− kein gutes nukleophiles Reagenz, diese Situation änderte sich, als sie mit einer guten Abgangsgruppe konfrontiert wurden. Ferner ist für die relativ größere Größe des Siliziumatoms im Vergleich zum Kohlenstoffatom der sterische Schutzeffekt sperriger Substituenten weniger wirksam und kann eine koordinierte Struktur ermöglichen, was bedeutet, dass viele dissoziative Reaktionen vom SN1-Typ in der organischen Chemie durch einen Assoziativ-SN2-Mechanismus mit einem pentakoordinaten Übergangszustand in der Siliziumchemie33 ablaufen können.

Abb. 5: Silyliumion vermittelte viergliedrige Ringumlagerung zu Ag-int7 (Pfad a).

L bezieht sich auf 2,2′-Bipyridin (bpy). Gibbs freie Energien sind in kcal/mol. Das Wasserstoffatom wurde weggelassen und das Kohlenstoffatom des Liganden zur Verdeutlichung weiß getarnt. Triisopropylsilyl (TIPS) wird in Big Ball außer Desilication Prozess und umgekehrt vereinfacht. ein Reaktionsprofil; b Optimierte Geometrien.

TIPSOTf wird aus synthetischer Sicht als anionenstabilisiertes Silyliumion angesehen, das ein hochaktives Reagenz für den Amino- und Hydroxyschutz ist. TIPS + kann leicht auf das Stickstoffatom des tertiären Amins in Ag-int4b übertragen werden, um quaternäre Ammoniumspezies Ag-int4a durch nukleophile SN2-Addition mit einer Barriere (Ag-TS4a) von 15,0 kcal / mol zu bilden. In der quaternären Ammoniumspezies Ag-int4a ist die C-N-Bindung sehr leicht zu entspannen hohe Spannung des viergliedrigen Rings und bilden Silber (I) koordinierte Ketenspezies Ag-int4a-1 mit einer Barriere (Ag-TS4a-1) nur 0,1 kcal / mol. In diesem Prozess positive Ladung von Stickstoff- und Siliciumatomen (N-Si) auf Silber- und Kohlenstoffatome (Ag-C) übertragen. (Die NBO-Ladungsverteilung zeigt, dass sich die Ladung von N-Si von 1,58 auf 1 ändert.47, während sich Ag-C-Atome von 0,19 auf 0,32 ändern). Ag-int4a-1 kann leicht einem Ringverschluss unterzogen werden, um ein sechsköpfiges Ag-int5a mit einer Barriere (Ag-TS5a) von 10,7 kcal / mol zu bilden, die positive Ladung kehrt von Ag-C zu N-Si zurück. (Die NBO-Ladungsverteilung zeigt, dass sich die Ladung von N-Si von 1,47 auf 1,79 und Ag-C von 0,32 auf 0,16 ändert). Vom viergliedrigen Ringzwischenprodukt Ag-int4a zum sechsköpfigen Ringzwischenprodukt Ag-int5a gibt es tatsächlich einen doppelten Elektronenextraktionswettbewerb zwischen Ag-C und Si-N, der von TIPS + und L-Ag + dominiert wird. In der Ag-int4a extrahiert die hohe positive Ladung von Si-N das Elektron aus der elektronenreichen Ag-C-Bindung, die dazu führt, dass Ag-int4a geöffnet wird, um Ag-int4a-1 zu bilden. Die treibende Kraft dieses Schrittes ist die hohe positive Ladung von Si-N und die hohe Spannung des viergliedrigen Rings von Ag-int4a. Die Barriere von der Silber (I) koordinierten Ketenspezies Ag-int4a-1 zum sechsköpfigen Ring Ag-int5a beträgt 10,7 kcal / mol. Obwohl eine hohe Reaktivität der Ketenspezies und die Bildung einer N = N-Bindung zu diesem Schritt beitragen, ist dieser Prozess aufgrund des hohen Lewis-Aciditätscharakters des Silyliumions endotherm, die treibende Kraft dieses Schritts ist extrem hoch exotherm der Freisetzung N2. Im Allgemeinen Freisetzung N2 ist sehr exotherm und gehen durch konzertierte Reaktion pathway34,35. In dieser reaktion, release N2 gehen durch schrittweise mechanismus, die können zugeschrieben werden hohe positive ladung von silylium ionen (TIPS +). In der Ag-int5a die Länge der C-N-Bindung direkt Links zu Silylium-Ionen (TIPS +) ist 1.53 Å, eine andere C-N-Bindung ist 1.45 Å, was hauptsächlich durch eine hohe positive Ladung von TIPS+ verursacht wird. Die relativ längere C-N-Bindung, die durch TIPS + im Ag-int5a induziert wird, weist auf seinen relativ leichten Heterolyse-Charakter hin. Ferner kann die elektronenreiche C-Ag-Bindung ihr Elektron nach der Heterolyse an das C-Atom abgeben, dies ist eine sehr wichtige treibende Kraft der C-N-Bindungsheterolyse. Tatsächlich ist dieser Heterolyseprozess auch ein Elektronenextraktionswettbewerb zwischen Ag-C und Si-N, die positive Ladung, die diesmal von N-Si auf C-Ag übertragen wird (NBO-Ladungsverteilung zeigt, dass sich das Elektron von 0,16 auf 0,59 in C-Ag und 1,79 auf 1 geändert hat.58 in N-Si von Ag-int5a nach Ag-int6a). Aus diesen Gründen beträgt die Barriere für heterolytische C-N-Bindung und schrittweise N2-Freisetzung nur 2,9 kcal/mol. Wenn in dieser Struktur keine TIPS + vorhanden sind, kann die Reaktion einen konzertierten Mechanismus mit einer Barriere durchlaufen (siehe Ag-TS7b in Abb. 6b) 6,7 kcal/mol. Das Silyliumionenstabilisierte Distickstoffzwischenprodukt Ag-int6a ist sehr einfach in der Freisetzung von N2, N + und Ag-int7 (die negative freie Energiebarriere dieses Schritts ergibt sich aus der Entropie- und Einzelpunktenergiekorrektur). TIPPS + Die Kombination mit Ag-int7 zum Endprodukt ist stark exotherm (-60,3 kcal / mol).

Keton-Enol-Tautomerie-Pfad Weg (Pfad b)

Im Ag-int4b liegt der α-Kohlenstoff nahe an der sp3-Hybridisierung. Der C-Ag-C-Winkel beträgt 121,9° (Abb. 5b) kann das Zwischenprodukt Ag-int4b wie seine α-H-substituierten Ketonanaloga eine Keton-Enol-Tautomerie und eine intramolekulare Isomerisierung durchlaufen (Abb. 6), um Ag-int5b-1 zu erhalten, das auch der Geschwindigkeitsbestimmungsschritt des Pfades b ist (23,9 kcal/mol). Die direkte Dissoziation von L-Ag+ von Ag-int4b ist energetisch ungünstig mit einer Barriere von 33,1 kcal/mol (siehe ergänzende Abb. 4.).

Kupfer(I) katalysierte IEDDA mit SMC-Mechanismus

Abb. 7: Kupfer(I) katalysierte IEDDA.

L bezieht sich auf 2,2′-Bipyridin (bpy). Gibbs freie Energien sind in kcal/mol. Das Wasserstoffatom wurde weggelassen und das Kohlenstoffatom des Liganden wurde zur Verdeutlichung weiß getarnt. Triisopropylsilyl (TIPS) wird in Big Ball außer Desilication Prozess und umgekehrt vereinfacht. ein Reaktionsprofil; b Optimierte Geometrien.

reaktionsweg Weg

Avcı et al. erforscht mechanismus mit dichte funktionale theorie (DFT), in ihre berechnung, sie vereinfachte triisopropylsilyl (TIPPS) gruppe in trimethylsilyl (TMS) gruppe und gefunden, dass diese reaktion können ging durch schrittweise mechanism17. Wir verglichen die Rate bestimmen Barriere (RDB) unserer vorgeschlagenen SMC-Mechanismus mit schrittweisen Mechanismus unter ihrem Modell verwenden unterschiedliche Ebene der Theorie und festgestellt, dass die Barriere unserer vorgeschlagenen SMC-Mechanismus niedriger als der schrittweise Mechanismus von 9,8 kcal/mol bis 11.2 kcal / mol, was eine starke Unterstützung dafür ist, dass unser vorgeschlagener SMC-Mechanismus dem schrittweisen Mechanismus viel überlegen ist (siehe Details in den ergänzenden Tabellen 1-3 und ergänzende Abb. 1). Wenn wir den gleichen Bezugspunkt wie ihre Arbeit (L-Ag +, 1a und 2a als Bezugspunkt) und kein reduziertes Modell verwenden, beträgt die Barriere des silberkatalysierten Mechanismus 26,1 kcal / mol, was ebenfalls ihrer Arbeit entspricht.

Um weiter zu veranschaulichen, dass unser vorgeschlagener SMC-Mechanismus besser für die Silber (I) – und Kupfer (I) -katalysierte IEDDA-Reaktion geeignet ist, haben wir die Barriere des traditionellen Reaktionswegs mit relativ stabileren AG-Komplexen (Ag-int1 und Cu-int1) als Referenzpunkt bewertet.

Mit Ag-int1 als Nullpunkt beträgt die Barriere des Silber (I) katalysierten Stufenmechanismus 33,3 kcal / mol und des konzertierten Mechanismus 34 kcal / mol (Abb. 8a).

Die Barriere der kupferkatalysierten Cycloaddition ist mit dem Stufenmechanismus 39,3 kcal/mol und dem konzertierten Mechanismus 43,3 kcal/mol sehr hoch (Abb. 8b). Offensichtlich wird der Cyclisierungsweg sowohl in der Silber (I) – als auch in der Kupfer (I) -katalysierten IEDDA-Reaktion nicht begünstigt.

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