La cycloaddition 2 + 2 médiée par l’ion Silylium conduit à 4 + 2 produits de réaction Diels-Aulne

Formation de complexes Π M-int1 (M = Ag ou Cu)

Dans le cas de l’argent, la coordination de la 2,2′-bipyridine (bpy) au sel de catalyseur AgOTf donne que le centre actif bi-coordonné L-Ag+ est relativement exothermique de -23,1 kcal/mol (Fig. 3 bis). L’étape suivante est la coordination de la phtalazine 1a et des alcynes siloxy 2a avec le site actif dénudé L-Ag+ pour obtenir le complexe п-Ag-int1 qui est exothermique de -30,3 kcal/ mol.

Fig. 3 : Profils réactionnels des complexes de formation п Ag-int1 et Cu-int1.

Les énergies libres de Gibbs sont en kcal/mol. L’atome d’hydrogène a été omis et le groupe triisopropylsilyle (TIPS) a été simplifié en big ball pour plus de clarté. a Profil de réaction ; b Géométries optimisées.

Dans la réaction IEDDA catalysée par le cuivre (I), la formation du complexe п Cu-int1 est très exergonique (-60,8 kcal/mol). L’énergie exothermique plus élevée de la formation Cu-int1 peut être causée par un diamètre relativement petit et une densité de charge positive élevée du cuivre (I). Cu-int1 est plus compact structurellement par rapport à Ag-int1, et le siloxy alcyne 2a se coordonne plus fort avec l’atome de cuivre (I) (Fig. 3b). Dans Cu-int1 et Ag-int1, les écarts significatifs du siloxy 2a par rapport à la linéarité et dans la triple liaison C2-C3 de Cu-int1 s’allongent de 1,21 Å à 1.23 Å tandis que dans la liaison Ag-int1 C2-C3 s’allongent à 1,22 Å. L’angle de liaison de la torsion ∠ C1C2C3 de 180 ° à 163,37 ° dans Cu-int1 et 170,6 ° dans Ag-int1. La littérature actuelle a mis en évidence un certain nombre de complexes П coordonnés du cuivre (I) et de l’argent (I) bien caractérisés et confirme que le cuivre (I) se coordonne plus fort avec les alcynes que l’argent (I) dans ces complexes п29. L’expérience RMN H1 et RMN C13 confirme également des interactions évidentes entre les alcynes siloxy avec Ag(I) dans le DCM30.

Notez que les complexes п Ag-in1 et Cu-int1 sont l’intermédiaire le plus stable avant la réaction, nous choisissons Ag-int1 et Cu-int1 comme point zéro pour l’IEDDA catalysé par l’argent (I) et le cuivre (I) respectivement dans la discussion suivante.

Cycloaddition catalysée par l’argent

Les contraintes thermiques de symétrie orbitale posent un grand défi à la cycloaddition directe. De plus, la cycloaddition directe de 1a et 2a doit briser l’aromaticité du cycle phtalazine. Notre calcul montre que la barrière de ce processus peut atteindre 54,6 kcal / mol. Le métal de transition offre la perspective de favoriser la cycloaddition à travers des alcynes actifs grâce à des orbitales-d de valence et à une énergie plus faible des intermédiaires métallacycliques. La réaction catalysée par les métaux a également été étudiée par la théorie31,32.

Similaire à la plupart des réactions de cycloaddition catalysées par des métaux, l’addition nucléophile des phtalazines 1a avec l’alcène siloxy 2a activé par L-Ag+ est l’étape initiale (Fig. 4 bis).

Fig. 4: Complexe d’anneaux à quatre membres coordonné en argent de formation Ag-int3.

L fait référence à la 2,2′-bipyridine (bpy). Les énergies libres de Gibbs sont en kcal/mol. L’atome d’hydrogène a été omis, le groupe triisopropylsilyle (TIPS) a été simplifié en grosse boule et l’atome de carbone du ligand a été recouvert de blanc pour plus de clarté. a Profil de réaction ; b Géométries optimisées.

Notre calcul montre que la formation d’espèces d’argent éthylène Ag-int2 est énergétiquement accessible à la température ambiante avec une barrière (Ag-TS1) de 19,5 kcal/ mol (Fig. 4a), la barrière inférieure de ce processus est principalement due au fait que la seule paire d’atomes d’oxygène dans le conjugué Ag-TS1 avec les orbitales п de l’alcyne stabilise la charge positive de l’argent (I). La distribution de charge NBO montre la charge positive transférée de l’argent (I) à l’atome d’azote de Ag-int1 à Ag-int2 (atome N de -0,36 à -0,12, atome Ag 0,71 à 0,52). La phtalazine 1a reste presque plane dans l’espèce éthylène-argent Ag-int2, ce qui indique que l’aromaticité de 1a n’est pas complètement détruite dans cette étape (Fig. 4b). Une étape alternative pour obtenir des espèces d’argent éthylène se produit par l’attaque de l’alcyne siloxy à partir du point C2 qui est énergiquement défavorable avec une barrière de 32,4 kcal / mol.

La transformation Ag-int2 en complexe annulaire coordonné à quatre membres en argent (I) Ag-int3 est énergétiquement accessible avec une barrière (Ag-TS2) de 14,3 kcal/mol. Par rapport à une cycloaddition directe entre 1a et 2a, le catalyseur à l’argent(I) peut abaisser efficacement la barrière de ce procédé (54,6 kcal/mol vs 19,5 kcal/mol). L’expérience a également confirmé que l’argent (I) et le cuivre (I) peuvent catalyser la cycloaddition des alcynes siloxy et des alcènes substitués avec un rendement assez bon à température ambiante16,30.

Réarrangement des cycles à quatre membres médié par l’ion silylium (chemin a)

La migration directe de l’ion triisopropylsilyle (TIPS+) pour former l’espèce d’ammonium quaternaire Ag-int4a est énergétiquement défavorable avec une barrière (Ag-TS3a, voir Données supplémentaires 20) de 31,9 kcal/mol. L’ion silylium est notoirement instable, et la dissociation des ions TIPS + directement par la voie SN1 est également défavorable énergétiquement avec une barrière aussi élevée que 49.1 kcal/mol. Cependant, contre notre intuition chimique, la dissociation de TIPS + par l’attaque nucléophile SN2 de l’anion OTF est assez facile avec une barrière (Ag-TS3) de seulement 14,9 kcal / mol (Fig. 5 bis). La forte affinité de l’argent (I) avec l’anion alcène compense l’énergie de formation majoritaire de TIPSOTf et rend ce processus accessible avec seulement 5,8 kcal/mol. L’énergie stabilisée de L-Ag+ dans l’Ag-int4b atteint 33,1 kcal/ mol. La forte interaction de l’argent (I) avec l’alcène a fait de l’Ag-int4b un très bon groupe partant. Généralement, les bases de Lewis faibles telles que SO4-, OTf- ne sont pas de bons réactifs nucléophiles, cette situation a changé lors de la confrontation avec un bon groupe partant. De plus, pour la taille relativement plus grande de l’atome de silicium par rapport à l’atome de carbone, l’effet de protection stérique des substituants volumineux est moins efficace et peut permettre cinq structures coordonnées, ce qui signifie que de nombreuses réactions dissociatives de type SN1 en chimie organique peuvent passer par un mécanisme associatif-SN2 avec un état de transition pentacoordonné dans la chimie du silicium 33.

Fig. 5: L’ion silylium a médié le réarrangement de l’anneau à quatre membres pour donner Ag-int7 (chemin a).

L fait référence à la 2,2′-bipyridine (bpy). Les énergies libres de Gibbs sont en kcal/mol. L’atome d’hydrogène a été omis et l’atome de carbone du ligand a été recouvert de blanc pour plus de clarté. Le triisopropylsilyle (POINTES) est simplifié en grosse boule sauf le processus de désilication et versa. a Profil de réaction ; b Géométries optimisées.

TIPSOTf est considéré comme un ion silylium stabilisé à l’anion d’un point de vue synthétique, qui est un réactif hautement actif pour la protection des amino et de l’hydroxy. TIPS + peut facilement être transféré à un atome d’azote d’amine tertiaire dans Ag-int4b pour former des espèces d’ammonium quaternaire Ag-int4a par addition nucléophile SN2 avec une barrière (Ag-TS4a) de 15,0 kcal / mol. Dans l’espèce d’ammonium quaternaire Ag-int4a, la liaison C-N est très facile à détendre la tension élevée de l’anneau à quatre membres et forme des espèces de cétène coordonnées en argent (I) Ag-int4a-1 avec une barrière (Ag-TS4a-1) seulement 0,1 kcal / mol. Dans ce processus, une charge positive est transférée des atomes d’azote et de silicium (N-Si) aux atomes d’argent et de carbone (Ag-C). (La répartition des frais de NBO montre que les frais de N-Si passent de 1,58 à 1.47, tandis que les atomes d’Ag-C passent de 0,19 à 0,32). Ag-int4a-1 peut facilement subir une fermeture annulaire pour former un Ag-int5a à six membres avec une barrière (Ag-TS5a) de 10,7 kcal / mol, la charge positive revient d’Ag-C à N-Si. (La répartition des frais NBO montre que la charge de N-Si passe de 1,47 à 1,79 et que la charge Ag-C passe de 0,32 à 0,16). De l’intermédiaire de cycle à quatre membres Ag-int4a à l’intermédiaire de cycle à six membres Ag-int5a, il y a en fait une compétition d’extraction d’électrons deux fois entre Ag-C et Si-N qui est dominée par TIPS + et L-Ag +. Dans l’Ag-int4a, la charge positive élevée de Si-N extrait l’électron de la liaison Ag-C riche en électrons, ce qui conduit à l’ouverture de l’anneau d’Ag-int4a pour former Ag-int4a-1. La force motrice de cette étape est une charge positive élevée de Si-N et une tension élevée de l’anneau à quatre chaînons d’Ag-int4a. La barrière de l’espèce de cétène coordonnée en argent (I) Ag-int4a-1 à l’anneau à six chaînons Ag-int5a est de 10,7 kcal / mol. Bien que la réactivité élevée des espèces céténiques et la formation de liaison N = N contribuent à cette étape, ce processus est endothermique en raison du caractère d’acidité de Lewis élevé de l’ion silylium, la force motrice de cette étape est extrêmement élevée exothermique de libération de N2. Généralement, la libération de N2 est très exothermique et passe par la voie de réaction concertée34,35. Dans cette réaction, la libération de N2 passe par un mécanisme par étapes qui peut être attribué à une charge positive élevée de l’ion silylium (TIPS +). Dans l’Ag-int5a, la longueur de la liaison C-N se lie directement à l’ion silylium (TIPS +) est de 1,53 Å, une autre liaison C-N est de 1.45 Å, ce qui est principalement causé par une charge positive élevée des POINTES +. La liaison C-N relativement plus longue induite par TIPS+ dans l’Ag-int5a indique son caractère d’hétérolyse relativement facile. De plus, la liaison C-Ag riche en électrons peut donner son électron à l’atome C après hétérolyse, c’est une force motrice très importante de l’hétérolyse de la liaison C-N. En fait, ce processus d’hétérolyse est également une compétition d’extraction d’électrons entre Ag-C et Si-N, la charge positive transférée de N-Si à C-Ag cette fois (la distribution de charge NBO montre que l’électron est passé de 0,16 à 0,59 en C-Ag et de 1,79 à 1.58 en N-Si de Ag-int5a à Ag-int6a). Pour ces raisons, la barrière pour l’hétérolyse de la liaison C-N et la libération progressive de N2 n’est que de 2,9 kcal / mol. S’il n’y a pas de TIPS+ dans cette structure, la réaction peut passer par un mécanisme concerté avec une barrière (voir Ag-TS7b à la Fig. 6b) 6,7 kcal / mol. L’intermédiaire dinitrogène stabilisé par ion silylium Ag-int6a est très facile à libérer N2, TIPS + et Ag-int7 (la barrière d’énergie libre négative de cette étape provient de l’entropie et de la correction d’énergie ponctuelle). CONSEILS + la combinaison avec Ag-int7 pour donner le produit final est hautement exothermique (-60,3 kcal / mol).

Voie de tautomérie cétone-énol (voie b)

Dans l’Ag-int4b, le carbone α est proche de l’hybridation sp3. L’angle C-Ag-C est de 121,9° (Fig. 5b), Comme ses analogues cétoniques substitués α-H, l’intermédiaire Ag-int4b peut passer par une isomérisation intramoléculaire de type tautomérie cétone-énol (Fig. 6) pour obtenir Ag-int5b-1 qui est également le taux déterminer l’étape du chemin b (23,9 kcal / mol). La dissociation directe de L-Ag+ de Ag-int4b est énergétiquement défavorable avec une barrière de 33,1 kcal/mol (voir Fig. 4.).

IEDDA catalysé par le cuivre (I) avec mécanisme SMC

Fig. 7 : IEDDA catalysé par le cuivre (I).

L fait référence à la 2,2′-bipyridine (bpy). Les énergies libres de Gibbs sont en kcal/mol. L’atome d’hydrogène a été omis et l’atome de carbone du ligand a été recouvert de blanc pour plus de clarté. Le triisopropylsilyle (POINTES) est simplifié en grosse boule sauf le processus de désilication et versa. a Profil de réaction ; b Géométries optimisées.

chemin de réaction

Avcı et al. mécanisme exploré avec la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), dans leur calcul, ils ont simplifié le groupe triisopropylsilyle (TIPS) en groupe triméthylsilyle (TMS) et ont constaté que cette réaction pouvait se dérouler par étapes.17. Nous avons comparé la barrière de détermination du taux (RDB) de notre mécanisme SMC proposé avec un mécanisme par étapes selon leur modèle utilisant un niveau de théorie différent et avons constaté que la barrière de notre mécanisme SMC proposé est inférieure au mécanisme par étapes de 9,8 kcal / mol à 11.2 kcal / mol, ce qui est un support solide que notre mécanisme SMC proposé est beaucoup plus supérieur au mécanisme par étapes (voir les détails dans les tableaux supplémentaires 1-3 et la fig. 1). Si nous utilisons le même point de référence que leur travail (L-Ag +, 1a et 2a comme point de référence) et aucun modèle réduit, la barrière du mécanisme catalysé par l’argent est de 26,1 kcal / mol, ce qui est également conforme à leur travail.

Afin d’illustrer davantage que notre mécanisme SMC proposé est plus adapté à la réaction IEDDA catalysée par l’argent (I) et le cuivre (I), nous avons évalué la barrière de la voie de réaction traditionnelle avec des complexes п relativement plus stables (Ag-int1 et Cu-int1) comme point de référence.

Avec Ag-int1 comme point zéro, la barrière du mécanisme pas à pas catalysé par l’argent (I) est de 33,3 kcal / mol et le mécanisme concerté de 34 kcal / mol (Fig. 8 bis).

La barrière de la cycloaddition catalysée par le cuivre est très élevée avec un mécanisme par étapes de 39,3 kcal/ mol et le mécanisme concerté de 43,3 kcal/mol (Fig. 8b). De toute évidence, la voie de cyclisation n’est pas favorisée à la fois dans la réaction IEDDA catalysée par l’argent (I) et le cuivre (I).

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