Silylium ioni mediata 2+2 cicloaddizione conduce per 4+2 di Diels-Alder prodotti di reazione

Formazione di Π-complessi M-int1(M = Ag o Cu)

In caso d’argento, il coordinamento di 2,2′-bipiridina (bpy) per il catalizzatore sale AgOTf dà il bi-coordinato centro attivo L-Ag+ è relativamente esotermica da -23.1 kcal/mol (Fig. 3 bis). Il passo successivo è il coordinamento della ftalazina 1a e degli alchini silossi 2a con il sito attivo scoperto L-Ag+ per ottenere п-complex Ag-int1 che è esotermico di -30,3 kcal / mol.

Fig. 3: Profili di reazione di formazione п-complessi Ag-int1 e Cu-int1.

Le energie libere di Gibbs sono in kcal / mol. L’atomo di idrogeno è stato omesso e triisopropylsilyl (TIPS) gruppo è stato semplificato a grande palla per chiarezza. a Profilo di reazione; b Geometrie ottimizzate.

Nella reazione IEDDA catalizzata dal rame (I), la formazione del complesso п Cu-int1 è molto esergonica (-60,8 kcal/mol). La maggiore energia esotermica di formazione Cu-int1 può essere causata da diametro relativamente piccolo e alta densità di carica positiva di rame (I). Cu-int1 è più strutturalmente compatto rispetto Ag-int1, e siloxy alkyne 2a coordinare più forte con rame (I) atomo (Fig. 3 ter). Sia in Cu-int1 che in Ag-int1, le deviazioni significative del silossi 2a dalla linearità e nel triplo legame C2-C3 di Cu-int1 si allungano da 1,21 Å a 1.23 Å mentre in Ag-int1 il legame C2-C3 si allunga a 1,22 Å. L’angolo di legame di ∠C1C2C3 torsione da 180° a 163.37° in Cu-int1 e 170.6° in Ag-int1. La letteratura attuale ha rivelato un bel po ‘ di rame ben caratterizzato (I) e argento(I) alchini coordinati п-complessi e confermare che il rame(I) coordinare più forte con alchini di argento(I) in questi п-complexes29. L’esperimento H1 NMR e C13 NMR confermano anche evidenti interazioni tra alchini silossi con Ag (I) in DCM30.

Si noti che i complessi п Ag-in1 e Cu-int1 sono l’intermedio più stabile prima della reazione, scegliamo Ag-int1 e Cu-int1 come punto zero per l’argento(I) e il rame(I) catalizzati IEDDA rispettivamente nella seguente discussione.

Cicloaddizione catalizzata in argento

I vincoli termici della simmetria orbitale pongono molte sfide alla cicloaddizione diretta. Inoltre, la cicloaddizione diretta di 1a e 2a deve rompere l’aromaticità dell’anello ftalazinico. Il nostro calcolo mostra che la barriera di questo processo fino a 54,6 kcal / mol. Il metallo di transizione offre la prospettiva di promuovere la cicloaddizione attraverso alchini attivi in virtù degli orbitali d di valenza e della minore energia degli intermedi metallaciclici. La reazione catalizzata dal metallo è stata anche studiata dalla teoria31, 32.

Simile con la maggior parte della reazione di cicloaddizione catalizzata da metalli, l’aggiunta nucleofila di ftalazine 1a con silossi alchene 2a attivato da L-Ag+ è il passo iniziale (Fig. 4 bis).

Fig. 4: Formazione argento coordinato quattro membri anello complesso Ag-int3.

L si riferisce alla 2,2 ‘ – bipiridina (bpy). Le energie libere di Gibbs sono in kcal / mol. L’atomo di idrogeno è stato omesso, il gruppo triisopropilsilile (TIPS) è stato semplificato a big ball e l’atomo di carbonio del ligando è stato ammantato di bianco per chiarezza. a Profilo di reazione; b Geometrie ottimizzate.

Il nostro calcolo mostra che la formazione di specie di argento etilene Ag-int2 è energeticamente accessibile a temperatura ambiente con una barriera (Ag-TS1) 19,5 kcal/mol (Fig. 4a), barriera inferiore di questo processo è principalmente perché la coppia solitaria di atomo di ossigeno nel coniugato Ag-TS1 con п orbitali di alkyne per stabilizzare la carica positiva di argento (I). La distribuzione della carica NBO mostra la carica positiva trasferita dall’argento(I) all’atomo di azoto da Ag-int1 ad Ag-int2 (N atomo da -0,36 a -0,12, Ag atomo da 0,71 a 0,52). La ftalazina 1a rimane quasi planare nella specie di argento etilenico Ag-int2, il che indica che l’aromaticità di 1a non viene completamente distrutta in questa fase (Fig. 4 ter). Un passaggio alternativo per ottenere specie di argento etilene si verifica tramite l’attacco del silossi alchino dal punto C2 che è energeticamente sfavorevole con una barriera 32.4 kcal / mol.

L’Ag-int2 si trasforma in argento(I) coordinato complesso ad anello a quattro membri Ag-int3 è energeticamente accessibile con una barriera (Ag-TS2) 14,3 kcal/mol. Rispetto alla cicloaddizione diretta tra 1a e 2a, il catalizzatore d’argento(I) può abbassare efficacemente la barriera di questo processo (54,6 kcal/mol vs 19,5 kcal/mol). L’esperimento ha anche confermato che l’argento (I) e il rame(I) possono catalizzare la cicloaddizione di alchini silossi e alcheni sostituiti con una resa abbastanza buona a temperatura ambiente16,30.

Riarrangiamento dell’anello a quattro membri mediato dallo Sil Silylium (percorso a)

La migrazione diretta dello tri triisopropilsilile (TIPS+) per formare specie di ammonio quaternario Ag-int4a è energeticamente sfavorevole con una barriera (Ag-TS3a, vedere Dati supplementari 20) 31,9 kcal/mol. Lo Sil Silylium è notoriamente instabile e lo TIPS TIPS + si dissocia direttamente attraverso la via SN1 è anche energeticamente sfavorevole con una barriera fino a 49.1 kcal / mol. Tuttavia, contro la nostra intuizione chimica, dissociare di PUNTE + attraverso OTf-anione SN2 attacco nucleofilo è abbastanza facile con una barriera (Ag-TS3) solo 14,9 kcal/mol (Fig. 5 bis). L’elevata affinità dell’argento (I) con l’anione alchenico compensa l’energia di formazione della maggioranza di TIPSOTf e rende questo processo accessibile con solo 5,8 kcal/mol. L’energia stabilizzata di L-Ag + nell’Ag-int4b fino a 33,1 kcal / mol. La forte interazione dell’argento(I) con l’alchene ha reso Ag-int4b un ottimo gruppo di partenza. Comunemente, base di Lewis debole come SO4 -, OTf-non sono buoni reagenti nucleofili, questa situazione è cambiata quando confrontarsi con un buon gruppo di partenza. Inoltre, per la dimensione relativa maggiore dell’atomo di silicio rispetto all’atomo di carbonio, l’effetto di protezione sterica dei sostituenti ingombranti è meno efficace e può consentire cinque strutture coordinate, il che significa che molte reazioni dissociative di tipo SN1 in chimica organica possono procedere attraverso il meccanismo associativo-SN2 con stato di transizione pentacoordinate nella chimica del silicio33.

Fig. 5: Lo Sil Silylium ha mediato il riarrangiamento dell’anello a quattro membri per dare Ag-int7 (percorso a).

L si riferisce alla 2,2 ‘ – bipiridina (bpy). Le energie libere di Gibbs sono in kcal / mol. L’atomo di idrogeno è stato omesso e l’atomo di carbonio del ligando è stato bianco ammantato per chiarezza. Triisopropylsilyl (SUGGERIMENTI) è semplificato in grande palla tranne processo di desilication e versa. a Profilo di reazione; b Geometrie ottimizzate.

TIPSOTf è considerato come anione stabilizzato silylium ion da una prospettiva sintetica, che è reagente altamente attivo per la protezione amino e idrossi. TIPS + può essere facilmente trasferito all’atomo di azoto dell’ammina terziaria in Ag-int4b per formare specie di ammonio quaternario Ag-int4a attraverso l’aggiunta nucleofila SN2 con una barriera (Ag-TS4a) 15,0 kcal/mol. Nelle specie di ammonio quaternario Ag-int4a, il legame C-N è molto facile da rilassare l’alta tensione dell’anello a quattro membri e forma l’argento (I) coordinato specie di chetene Ag-int4a-1 con una barriera (Ag-TS4a-1) solo 0,1 kcal/mol. In questo processo la carica positiva trasferita dagli atomi di azoto e silicio (N-Si) agli atomi di argento e carbonio (Ag-C). (La distribuzione della carica NBO mostra che la carica di N-Si cambia da 1,58 a 1.47, mentre gli atomi Ag-C cambiano da 0,19 a 0,32). Ag-int4a-1 può facilmente subire la chiusura dell’anello per formare sei membri Ag-int5a con una barriera (Ag-TS5a) 10,7 kcal/mol, la carica positiva ritorna da Ag-C a N-Si. (La distribuzione della carica NBO mostra che la carica di N-Si cambia da 1,47 a 1,79 e Ag-C cambia da 0,32 a 0,16). Dall’anello intermedio Ag-int4a a quattro membri all’anello intermedio Ag-int5a a sei membri, in realtà si verifica una competizione di estrazione di due elettroni tra Ag – C e Si-N che è dominata da TIPS+ e L-Ag+. Nell’Ag-int4a l’alta carica positiva di Si-N estrae l’elettrone dal legame Ag-C ricco di elettroni, che porta all’anello aperto di Ag-int4a per formare Ag-int4a-1. La forza trainante di questo passaggio è l’alta carica positiva di Si-N e l’alta tensione dell’anello a quattro membri di Ag-int4a. La barriera dall’argento (I) specie di chetene coordinate Ag-int4a-1 all’anello a sei membri Ag-int5a è di 10,7 kcal/mol. Sebbene l’alta reattività delle specie cheteniche e la formazione del legame N=N contribuiscano a questo passaggio, questo processo è endotermico a causa dell’elevato carattere di acidità di Lewis dello sil silylium, la forza motrice di questo passaggio è estremamente elevata esotermica del rilascio N2. Generalmente, il rilascio N2 è altamente esotermico e passa attraverso un percorso di reazione concertato34,35. In questa reazione, il rilascio N2 passa attraverso un meccanismo graduale che può essere attribuito all’elevata carica positiva dello sil silylium (TIPS+). Nell’Ag-int5a la lunghezza del legame C-N si collega direttamente allo sil silylium (TIPS+) è 1,53 Å, un altro legame C-N è 1.45 Å, che è causato principalmente da alta carica positiva di punte+. Il legame C-N relativamente più lungo indotto da TIPS + nell’Ag-int5a indica il suo carattere di eterolisi relativamente facile. Inoltre, il legame C-Ag ricco di elettroni può donare il suo elettrone all’atomo C dopo l’eterolisi, questa è una forza trainante molto importante dell’eterolisi del legame C-N. In realtà, questo processo di eterolisi è anche una competizione di estrazione di elettroni tra Ag – C e Si-N, la carica positiva trasferita da N-Si a C-Ag questa volta (la distribuzione della carica NBO mostra che l’elettrone è cambiato da 0,16 a 0,59 in C-Ag e da 1,79 a 1.58 in N-Si da Ag-int5a ad Ag-int6a). Per questi motivi, la barriera per il legame C-N eterolisi e il rilascio graduale di N2 è solo 2,9 kcal / mol. Se non ci sono PUNTE+ in questa struttura, la reazione può passare attraverso un meccanismo concertato con una barriera (vedi Ag-TS7b in Fig. 6b) 6,7 kcal / mol. Il silylium stabilized stabilizzato dinitrogen intermediate Ag-int6a è molto facile per rilasciare N2, TIPS + e Ag-int7(la barriera di energia libera negativa di questo passaggio proviene dall’entropia e dalla correzione energetica a punto singolo). SUGGERIMENTI + combinazione con Ag-int7 per dare prodotto finale è altamente esotermico (-60.3 kcal/mol).

Percorso di tautomerismo chetone-enolo (percorso b)

Nell’Ag-int4b, l’α-carbonio è vicino all’ibridazione sp3. L’angolo C-Ag-C è 121,9° (Fig. 5b), come i suoi analoghi chetonici sostituiti α-H, l’intermedio Ag-int4b può passare attraverso l’isomerizzazione intramolecolare in stile tautomerismo chetonico-enolico (Fig. 6) per ottenere Ag-int5b-1 che è anche il tasso di determinare passo del percorso b (23.9 kcal/mol). La dissociazione diretta di L-Ag + da Ag-int4b è energeticamente sfavorevole con una barriera 33,1 kcal / mol (vedi Fig. 4.).

Rame(I) catalizzato IEDDA con meccanismo SMC

Fig. 7: Rame(I) catalizzato IEDDA.

L si riferisce alla 2,2 ‘ – bipiridina (bpy). Le energie libere di Gibbs sono in kcal / mol. L’atomo di idrogeno è stato omesso e l’atomo di carbonio del ligando era bianco ammantato per chiarezza. Triisopropylsilyl (SUGGERIMENTI) è semplificato in grande palla tranne processo di desilication e versa. a Profilo di reazione; b Geometrie ottimizzate.

percorso di reazione way

Avcı et al. esplorato il meccanismo con la teoria funzionale della densità (DFT), nel loro calcolo, hanno semplificato il gruppo triisopropilsilile (TIPS) nel gruppo trimetilsilile (TMS) e hanno scoperto che questa reazione può procedere attraverso un meccanismo graduale17. Abbiamo confrontato la barriera di determinazione del tasso (RDB) del nostro meccanismo SMC proposto con il meccanismo graduale sotto il loro modello utilizzare un diverso livello di teoria e abbiamo scoperto che la barriera del nostro meccanismo SMC proposto è inferiore al meccanismo graduale da 9,8 kcal/mol a 11.2 kcal / mol, che è un forte supporto che il nostro meccanismo SMC proposto è molto più superiore al meccanismo stepwise (vedi dettagli nelle tabelle supplementari 1-3 e Fig. 1). Se usiamo lo stesso punto di riferimento del loro lavoro (L-Ag+, 1a e 2a come punto di riferimento) e nessun modello ridotto, la barriera del meccanismo catalizzato in argento è 26,1 kcal/mol che è anche in accordo con il loro lavoro.

Per illustrare ulteriormente che il nostro meccanismo SMC proposto è più adatto alla reazione IEDDA catalizzata da argento(I) e rame(I), abbiamo valutato la barriera della via di reazione tradizionale con complessi п relativamente più stabili (Ag-int1 e Cu-int1) come punto di riferimento.

Con Ag-int1 come punto zero, la barriera di argento(I) catalizzata meccanismo graduale è 33.3 kcal / mol e concertato meccanismo 34 kcal / mol (Fig. 8 bis).

La barriera della cicloaddizione catalizzata dal rame è molto alta con meccanismo graduale 39,3 kcal/mol e il meccanismo concertato 43,3 kcal/mol (Fig. 8 ter). Ovviamente, la via di ciclizzazione non è favorita sia nella reazione IEDDA catalizzata da argento(I) che da rame(I).

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