La cicloadición mediada por iones de sililo 2+2 conduce a 4+2 productos de reacción de Diel-Aliso

Formación de complejos Π M-int1(M = Ag o Cu)

En el caso de plata, la coordinación de 2,2′-bipiridina (bpy) con la sal catalítica AgOTf da al centro activo bi-coordinado L-Ag+ es relativamente exotérmico por -23,1 kcal/mol (Fig. 3a). El siguiente paso es la coordinación de la ftalazina 1a y los alquinos siloxi 2a con el sitio activo descubierto L-Ag + para obtener Ag-int1 del complejo п, que es exotérmico en -30,3 kcal / mol.

Fig. 3: Perfiles de reacción de los complejos de formación п Ag-int1 y Cu-int1.

Las energías libres de Gibbs están en kcal / mol. El átomo de hidrógeno se omitió y el grupo de triisopropilsililo (PUNTAS) se simplificó a bola grande para mayor claridad. a Perfil de reacción; b Geometrías optimizadas.

En la reacción IEDDA catalizada con cobre(I), la formación del complejo п Cu-int1 es muy exergónica (-60,8 kcal/mol). La mayor energía exotérmica de formación Cu-int1 puede ser causada por un diámetro relativamente pequeño y una alta densidad de carga positiva de cobre(I). Cu-int1 es más compacto estructuralmente en comparación con Ag-int1, y la coordenada siloxi-alquino 2a es más fuerte con el átomo de cobre (I) (Fig. 3b). Tanto en Cu-int1 como en Ag-int1, las desviaciones significativas de siloxi 2a de la linealidad y en Cu-int1 de triple enlace C2-C3 se alargan de 1,21 Å a 1.23 Å mientras que en el enlace Ag-int1 C2-C3 se alargan a 1,22 Å. El ángulo de unión de twist C1C2C3 gira de 180° a 163,37° en Cu-int1 y 170,6° en Ag-int1. La literatura actual ha revelado bastantes complejos de alquinos coordinados de cobre(I) y plata(I) bien caracterizados y confirman que el cobre(I) se coordina más fuerte con alquinos que la plata(I) en estos complejos п29. El experimento de RMN H1 y RMN C13 también confirma interacciones evidentes entre alquinos siloxi y Ag(I) en DCM30.

Tenga en cuenta que los complejos п Ag-in1 y Cu-int1 son los intermedios más estables antes de la reacción, elegimos Ag-int1 y Cu-int1 como punto cero para el IEDDA catalizado con plata(I) y cobre(I), respectivamente, en la siguiente discusión.

Cicloadición catalizada con plata

Las restricciones térmicas de simetría orbital plantean un gran desafío para la cicloadición directa. Además, la cicloadición directa de 1a y 2a necesita romper la aromaticidad del anillo de ftalazina. Nuestro cálculo muestra que la barrera de este proceso es de hasta 54,6 kcal / mol. El metal de transición ofrece la perspectiva de promover la cicloadición a través de alquinos activos en virtud de los orbitales d de valencia y la menor energía de los intermedios metalacíclicos. La reacción catalizada por metales también fue investigada por teoría31, 32.

Similar a la mayoría de las reacciones de cicloadición catalizadas por metales, la adición nucleofílica de ftalazinas 1a con siloxi alqueno 2a activado por L-Ag+ es el paso inicial (Fig. 4a).

Fig. 4: Complejo de anillo de cuatro miembros coordinado de plata de formación Ag-int3.

L se refiere a 2,2′-bipiridina (bpy). Las energías libres de Gibbs están en kcal / mol. El átomo de hidrógeno se omitió, el grupo de triisopropilsililo (PUNTAS) se simplificó a bola grande y el átomo de carbono del ligando se cubrió de blanco para mayor claridad. a Perfil de reacción; b Geometrías optimizadas.

Nuestro cálculo muestra que la formación de la especie de plata de etileno Ag-int2 es energéticamente accesible a temperatura ambiente con una barrera (Ag-TS1) de 19,5 kcal/mol (Fig. 4a), la barrera inferior de este proceso se debe principalmente al par solitario de átomos de oxígeno en el conjugado Ag-TS1 con orbitales п de alquino para estabilizar la carga positiva de plata(I). La distribución de carga NBO muestra la carga positiva transferida de plata (I) al átomo de nitrógeno de Ag-int1 a Ag-int2 (átomo N de -0,36 a -0,12, átomo Ag de 0,71 a 0,52). La ftalazina 1a permanece casi plana en la especie de plata de etileno Ag-int2, lo que indica que la aromaticidad de la 1a no se destruye completamente en este paso (Fig. 4b). Un paso alternativo para obtener especies de plata de etileno se produce a través del ataque del siloxi alquino desde el punto C2 que está energéticamente desfavorecido con una barrera de 32,4 kcal/mol.

La transformación Ag-int2 en complejo de anillos de cuatro miembros coordinado de plata(I) Ag-int3 es energéticamente accesible con una barrera (Ag-TS2) de 14,3 kcal/mol. En comparación con la cicloadición directa entre 1a y 2a, el catalizador de plata(I) puede reducir de manera eficiente la barrera de este proceso (54,6 kcal/mol frente a 19,5 kcal/mol). El experimento también confirmó que la plata (I) y el cobre(I) pueden catalizar la cicloadición de alquinos siloxi y alquenos sustituidos con bastante buen rendimiento a temperatura ambienta16,30.

Reordenamiento de anillo de cuatro miembros mediado por iones de sililo (ruta a)

La migración directa del ion triisopropilsililo (TIPS+) para formar especies de amonio cuaternario Ag-int4a está desfavorecida energéticamente con una barrera (Ag-TS3a, ver Datos Suplementarios 20) de 31,9 kcal/mol. El ion sililo es notoriamente inestable, y los iones PUNTAS+ disociarse directamente a través de la vía SN1 también está energéticamente desfavorecido con una barrera tan alta como 49.1 kcal / mol. Sin embargo, contra nuestra intuición química, disociar de TIPS+ a través de OTf− anión SN2 es bastante fácil con una barrera (Ag-TS3) de solo 14,9 kcal/mol (Fig. 5a). La alta afinidad de la plata (I) con el anión alqueno compensa la energía de formación mayoritaria de TIPSOTf y hace que este proceso sea accesible con solo 5,8 kcal/mol. La energía estabilizada de L-Ag+ en el Ag-int4b es de hasta 33,1 kcal / mol. La fuerte interacción de la plata(I) con el alqueno hizo de Ag-int4b un grupo de salida muy bueno. Comúnmente, la base débil de Lewis, como SO4, OTf, no son buenos reactivos nucleofílicos, esta situación cambió cuando se confrontó con un buen grupo saliente. Además, para el tamaño relativamente mayor del átomo de silicio en comparación con el átomo de carbono, el efecto de protección estérica de los sustituyentes voluminosos es menos efectivo y puede permitir cinco estructuras coordinadas, lo que significa que muchas reacciones disociativas de tipo SN1 en química orgánica pueden proceder a través del mecanismo asociativo-SN2 con estado de transición pentacoordinado en química de silicón33.

Fig. 5: Reordenamiento de anillo de cuatro miembros mediado por iones de sililo para dar Ag-int7 (ruta a).

L se refiere a 2,2′-bipiridina(bpy). Las energías libres de Gibbs están en kcal / mol. El átomo de hidrógeno se omitió y el átomo de carbono del ligando se cubrió de blanco para mayor claridad. Triisopropilsililo (PUNTAS) se simplifica en bola grande, excepto el proceso de desilicación y viceversa. a Perfil de reacción; b Geometrías optimizadas.

TIPSOTf es considerado como un ion de sililo estabilizado a aniones desde una perspectiva sintética, que es un reactivo altamente activo para la protección de aminoácidos e hidroxi. TIPS + puede transferirse fácilmente al átomo de nitrógeno de amina terciaria en Ag-int4b para formar especies de amonio cuaternario Ag-int4a a través de la adición nucleofílica SN2 con una barrera (Ag-TS4a) de 15,0 kcal/mol. En la especie de amonio cuaternario Ag-int4a, el enlace C-N es muy fácil de relajar, alta tensión de anillo de cuatro miembros y forma una especie de ceteno coordinada de plata(I) Ag-int4a-1 con una barrera (Ag-TS4a-1) de solo 0,1 kcal/mol. En este proceso, la carga positiva se transfiere de los átomos de nitrógeno y silicio (N-Si) a los átomos de plata y carbono (Ag-C). (La distribución de carga NBO muestra que la carga de N-Si cambia de 1,58 a 1.47, mientras que los átomos Ag-C cambian de 0,19 a 0,32). Ag-int4a-1 puede someterse fácilmente a un cierre de anillo para formar Ag-int5a de seis miembros con una barrera (Ag-TS5a) de 10,7 kcal/mol, la carga positiva regresa de Ag-C a N-Si. (La distribución de carga NBO muestra que la carga de N-Si cambia de 1,47 a 1,79, y el cambio Ag-C de 0,32 a 0,16). Desde el anillo intermedio Ag-int4a de cuatro miembros hasta el anillo intermedio Ag-int5a de seis miembros, en realidad se experimenta una competencia de extracción de electrones dos veces entre Ag-C y Si-N, que está dominada por TIPS+ y L-Ag+. En el Ag-int4a, la alta carga positiva de Si-N extrae el electrón del enlace Ag-C rico en electrones, que conduce al anillo abierto de Ag-int4a para formar Ag-int4a-1. La fuerza impulsora de este paso es la alta carga positiva de Si-N y la alta tensión del anillo de cuatro miembros de Ag-int4a. La barrera de la especie de ceteno coordinada de plata(I) Ag-int4a-1 al anillo de seis miembros Ag-int5a es de 10.7 kcal/mol. Aunque la alta reactividad de las especies de ceteno y la formación de enlaces N=N contribuyen a este paso, este proceso es endotérmico debido al alto carácter de acidez de Lewis del ion sililo, la fuerza impulsora de este paso es extremadamente alta exotérmica de liberación N2. En general, la liberación N2 es altamente exotérmica y pasa por una vía de reacción concertada34, 35. En esta reacción, la liberación N2 pasa por un mecanismo escalonado que se puede atribuir a una alta carga positiva de iones de sililo (PUNTAS+). En el Ag-int5a, la longitud del enlace C-N se vincula directamente con el ion de sililo (PUNTAS+) es de 1,53 Å, otro enlace C-N es de 1.45 Å, que es causada principalmente por una alta carga positiva de PUNTAS+. El enlace C-N relativamente más largo inducido por TIPS+ en el Ag-int5a indica su carácter de heterólisis relativamente fácil. Además, el enlace C-Ag rico en electrones puede donar su electrón al átomo C después de la heterólisis, esta es una fuerza impulsora muy importante de la heterólisis del enlace C-N. En realidad, este proceso de heterólisis es también una competencia de extracción de electrones entre Ag-C y Si-N, la carga positiva transferida de N-Si a C-Ag esta vez (la distribución de carga NBO muestra que el electrón cambió de 0,16 a 0,59 en C-Ag y de 1,79 a 1.58 en N-Si de Ag-int5a a Ag-int6a). Debido a estas razones, la barrera para el enlace C-N de heterólisis y la liberación gradual de N2 es de solo 2,9 kcal/mol. Si no hay PUNTAS+ en esta estructura, la reacción puede pasar por un mecanismo concertado con una barrera (ver Ag-TS7b en la Fig. 6b) 6,7 kcal / mol. El intermedio de dinitrógeno estabilizado con iones de sililo Ag-int6a es muy fácil de liberar N2, TIPS+ y Ag-int7 (la barrera de energía libre negativa de este paso proviene de la entropía y la corrección de energía de un solo punto). CONSEJOS + combinación con Ag-int7 para dar producto final es altamente exotérmico (-60,3 kcal/mol).

Camino de tautomerismo de cetona-enol (camino b)

En el Ag-int4b, el α-carbono está cerca de la hibridación sp3. El ángulo C-Ag-C es de 121,9° (Fig. 5b), al igual que sus análogos cetónicos sustituidos por α-H, el Ag-int4b intermedio puede pasar por isomerización intramolecular estilo tautomerismo cetona-enol (Fig. 6) para obtener Ag-int5b-1, que es también la velocidad, determine el paso de la ruta b (23,9 kcal/mol). La disociación directa de L-Ag+ de Ag-int4b es energéticamente desfavorable con una barrera de 33,1 kcal / mol (ver la Fig. 4.).

IED catalizado con cobre(I) con mecanismo SMC

Fig. 7: IED catalizada con cobre(I).

L se refiere a 2,2′-bipiridina(bpy). Las energías libres de Gibbs están en kcal / mol. El átomo de hidrógeno se omitió y el átomo de carbono del ligando se cubrió de blanco para mayor claridad. Triisopropilsililo (PUNTAS) se simplifica en bola grande, excepto el proceso de desilicación y viceversa. a Perfil de reacción; b Geometrías optimizadas.

camino de reacción

Avcı et al. mecanismo explorado con la teoría funcional de densidad (DFT), en su cálculo, simplificaron el grupo de triisopropilsililo (TIPS) en el grupo de trimetilsililo (TMS) y encontraron que esta reacción puede proceder a través del mecanismo escalonado17. Comparamos la barrera de determinación de velocidad (RDB) de nuestro mecanismo propuesto de SMC con el mecanismo escalonado bajo su modelo de uso de diferentes niveles de teoría y encontramos que la barrera de nuestro mecanismo propuesto de SMC es inferior al mecanismo escalonado de 9,8 kcal/mol a 11.2 kcal / mol, que es un fuerte apoyo de que nuestro mecanismo SMC propuesto es mucho más superior al mecanismo escalonado(ver detalles en las Tablas Suplementarias 1-3 y en la Fig. 1). Si usamos el mismo punto de referencia que su trabajo (L-Ag+, 1a y 2a como punto de referencia) y no un modelo reducido, la barrera del mecanismo catalizado de plata es de 26,1 kcal/mol, que también está de acuerdo con su trabajo.

Para ilustrar aún más que nuestro mecanismo SMC propuesto es más adecuado para la reacción IEDDA catalizada con plata(I) y cobre(I), evaluamos la barrera de la vía de reacción tradicional con complejos п relativamente más estables (Ag-int1 y Cu-int1) como punto de referencia.

Con Ag-int1 como punto cero, la barrera del mecanismo escalonado catalizado de plata(I) es de 33,3 kcal/mol y el mecanismo concertado de 34 kcal/mol (Fig. 8a).

La barrera de la cicloadición catalizada por cobre es muy alta con un mecanismo escalonado de 39,3 kcal / mol y un mecanismo concertado de 43,3 kcal / mol (Fig. 8b). Obviamente, la vía de ciclización no se ve favorecida tanto en la reacción IEDDA catalizada por plata(I) como por cobre(I).

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