Silylium ion-gemedieerde 2+2 cycloaddition leidt tot 4+2 Diels-Alder reactie van de producten

Vorming van Π-complexen M-int1(M = Ag of Cu)

In het zilver geval, de coördinatie van 2,2′-bipyridine (bpy) de catalyst zout AgOTf geeft het bi-gecoördineerde actieve centrum L-Ag+ is relatief exotherme door -23.1 kcal/mol (Afb. 3a). De volgende stap is de coördinatie van ftalazine 1a en siloxy alkynen 2a met ontbloot actieve plaats L-Ag + om п-complex Ag-int1 te verkrijgen die exotherm is door -30,3 kcal / mol.

Fig. 3: Reactieprofielen van formatie п-complexen Ag-int1 en Cu-int1.

Gibbs vrije energieën zijn in kcal / mol. Het waterstofatoom werd weggelaten en triisopropylsilyl (TIPS) groep werd vereenvoudigd tot big ball voor duidelijkheid. a Reactieprofiel; B geoptimaliseerde geometrieën.

in de koper (I) gekatalyseerde IEDDA-reactie is de vorming van п-complex Cu-int1 zeer exergonisch (-60,8 kcal/mol). De hogere exotherme energie van vorming Cu-int1 kan worden veroorzaakt door een relatief kleine diameter en een hoge positieve ladingsdichtheid van koper(I). Cu-int1 is structureel compacter vergeleken met Ag-int1, en siloxy alkyne 2a coördinaat sterker met koper (I) atoom (Fig. 3b). In zowel Cu-int1 als Ag-int1, de siloxy 2a significante afwijkingen van lineariteit en in Cu-int1 drievoudige binding C2-C3 verlenging van 1,21 Å tot 1.23 Å terwijl in Ag-int1 C2-C3 bond verlengd tot 1,22 Å. De bindingshoek van twist C1C2C3 draait van 180° tot 163,37° in Cu-int1 en 170,6° in Ag-int1. De huidige literatuur heeft nogal wat goed gekarakteriseerde koper(I) en zilver(I) gecoördineerde alkynen п-complexen onthuld en bevestigt dat koper(i) sterker coördineert met alkynen dan zilver(I) in deze п-complexen29. Het H1 NMR en C13 NMR experiment bevestigen ook duidelijke interacties tussen siloxy alkynen met Ag(I) in DCM30.

merk op dat п-complexen Ag-in1 en Cu-int1 het meest stabiele tussenproduct zijn voor de Reactie, We kiezen Ag-int1 en Cu-int1 als nulpunt voor respectievelijk zilver(I) en koper(I) gekatalyseerde IEDDA in de volgende discussie.

Zilver gekatalyseerde Cycloaddition

thermische beperkingen van orbitale symmetrie vormen een grote uitdaging voor directe cycloaddition. Verder moet de directe cycloaddition van 1a en 2a de aromaticiteit van de ftalazinering breken. Onze berekening laat zien dat de barrière van dit proces zo hoog is als 54,6 kcal/mol. Transitiemetaal biedt het vooruitzicht van het bevorderen van de cycloaditie door actieve alkynen op grond van valentie d-orbitalen en lagere energie van metallacyclische tussenproducten. Metaal-gekatalyseerde reactie werd ook onderzocht door theorie31, 32.

net als bij de meeste met metaal gekatalyseerde cycloadditiereacties is de nucleofiele toevoeging van ftalazinen 1a met siloxy-alkeen 2a geactiveerd door L-Ag+ de eerste stap (Fig. 4a).

Fig. 4: vorming zilver gecoördineerde vier-leden ring complex Ag-int3.

L verwijst naar 2,2′-bipyridine (bpy). Gibbs vrije energieën zijn in kcal / mol. Het waterstofatoom werd weggelaten, triisopropylsilyl (TIPS) groep werd vereenvoudigd tot big ball en het koolstofatoom van ligand was wit gehuld voor duidelijkheid. a Reactieprofiel; B geoptimaliseerde geometrieën.

uit onze berekening blijkt dat de vorming van ethyleenzilversoort Ag-int2 energetisch toegankelijk is in de kamertemperatuur met een barrière (Ag-TS1) 19.5 kcal/mol (Fig. 4a), de onderste barrière van dit proces is vooral omdat het eenzame paar zuurstofatoom in de Ag-TS1 conjugaat met п orbitalen van alkyne om de positieve lading van zilver(I) te stabiliseren. De NBO ladingsverdeling toont de positieve lading die van zilver(I) naar het stikstofatoom van Ag-int1 naar Ag-int2 wordt overgebracht (n atoom van -0,36 tot -0,12, AG atoom 0,71 tot 0,52). De ftalazine 1a blijft bijna vlak bij de ethyleenzilversoort Ag-int2, wat erop wijst dat de aromaticiteit van 1a in deze stap niet volledig wordt vernietigd (Fig. 4b). Een alternatieve stap om ethyleenzilversoorten te verkrijgen vindt plaats via de aanval van de siloxy-alkyne uit C2-punt dat energetisch ongunstig is met een barrière 32,4 kcal/mol.

de AG-int2 transformeert in zilver (I) gecoördineerd vierkoppig ringcomplex Ag-int3 is energetisch toegankelijk met een barrière (Ag-TS2) 14,3 kcal/mol. Vergeleken met directe cycloaditie tussen 1a en 2a kan de zilverkatalysator de barrière van dit proces efficiënt verlagen(54,6 kcal/mol vs 19,5 kcal/mol). Experiment bevestigde ook dat zilver(I) en koper (I) cycloaddition van siloxy alkynen en gesubstitueerde alkenen met een vrij goede opbrengst in kamertemperatuur16,30 kunnen katalyseren.

Silylium-ion-gemedieerde vierdelige ringherschikking (pad a)

directe migratie van triisopropylsilyl-ion (TIPS+) om quaternaire ammoniumsoorten Ag-int4a te vormen is energetisch ongunstig met een barrière (Ag-TS3a, zie aanvullende gegevens 20) 31,9 kcal/mol. Silylium ion is notoir instabiel, en TIPS + ion dissociëren direct via SN1 route is ook energetisch ongunstig met een barrière zo hoog als 49.1 kcal / mol. Echter, tegen onze chemische intuïtie in, dissociëren van TIPS+ via OTf− anion SN2 nucleofiele aanval is vrij eenvoudig met een barrière (Ag-TS3) slechts 14,9 kcal/mol (Fig. 5a). De hoge affiniteit van zilver (I) met alkeenanion compenseert de meerderheidsvormingsenergie van TIPSOTf en maakte dit proces toegankelijk met slechts 5,8 kcal/mol. De gestabiliseerde energie van L-Ag+ in de Ag-int4b kan oplopen tot 33,1 kcal / mol. De sterke interactie van zilver(I) met alkeen maakte van Ag-int4b een zeer goede vertrekgroep. Algemeen, zwakke Lewis base zoals SO4 -, OTf-zijn niet goed nucleofiel reagens, deze situatie veranderd wanneer confronteren met goede verlaten groep. Verder, voor de relatief grotere grootte van silicium atoom vergeleken met koolstofatoom, is het sterische beschermingseffect van volumineuze substituenten minder effectief en kan vijf gecoördineerde structuur toestaan, wat betekent dat veel dissociatieve SN1-type reacties in organische chemie door associatief-SN2 mechanisme met pentacoordinate overgangstoestand in silicium Chemistry kunnen voortgaan33.

Fig. 5: Silylium ion bemiddelde vier-lid ring herschikking om Ag-int7 (pad a) te geven.

L verwijst naar 2,2′-bipyridine(bpy). Gibbs vrije energieën zijn in kcal / mol. Waterstofatoom werd weggelaten en koolstofatoom van ligand was wit gehuld voor duidelijkheid. Triisopropylsilyl (TIPS) wordt vereenvoudigd tot grote bal behalve desilication proces en versa. a Reactieprofiel; B geoptimaliseerde geometrieën.

TIPSOTf wordt beschouwd als anion gestabiliseerd silylium ion vanuit een synthetisch perspectief, dat is zeer actief reagens voor amino en hydroxy bescherming. TIPS+ kan gemakkelijk overgebracht naar stikstofatoom van tertiair amine in Ag-int4b om quaternaire ammoniumsoorten Ag-int4a te vormen door SN2 nucleofiele toevoeging met een barrière (Ag-TS4a) 15,0 kcal/mol. In de quaternaire ammoniumsoort Ag-int4a, C-N binding is zeer gemakkelijk te ontspannen hoge spanning van vier-lid ring en vormen zilver (I) gecoördineerde ketene soort Ag-int4a-1 met een barrière (Ag-TS4a-1) slechts 0,1 kcal/mol. In dit proces wordt positieve lading overgebracht van stikstof-en siliciumatomen (n-Si) naar zilver-en koolstofatomen (Ag-C). (NBO ladingsdistributie toont aan dat de lading van N-Si verandert van 1,58 naar 1.47, terwijl Ag-C-atomen veranderen van 0,19 naar 0,32). Ag-int4a – 1 kan gemakkelijk ringsluiting ondergaan om zes-leden Ag-int5a met een barrière (Ag-TS5a) 10.7 kcal/mol te vormen, keert de positieve lading terug van Ag-C aan n-Si. (NBO ladingsdistributie toont aan dat de lading van N-Si verandert van 1,47 naar 1,79, en Ag-C verandert van 0,32 naar 0,16). Van vierkoppige ring intermediate Ag-int4a tot zeskoppige ring intermediate Ag-int5a, er eigenlijk ervaring tweemaal elektronextractie concurrentie tussen Ag-C en Si-N die wordt gedomineerd door TIPS+ en L-Ag+. In de Ag-int4a haalt de hoge positieve lading van Si-N het elektron uit elektron-rijke AG-C binding, die tot ring open van Ag-int4a leiden om Ag-int4a-1 te vormen. De drijvende kracht van deze stap is de hoge positieve lading van Si-n en de hoge spanning van vier-ledige ring van Ag-int4a. de barrière van zilver(I) gecoördineerde keteen soort Ag-int4a-1 tot zes-ledige ring Ag-int5a is 10,7 kcal/mol. Hoewel de hoge reactiviteit van keteensoorten en de vorming van n=n-binding bijdragen aan deze stap, is dit proces endotherm vanwege het hoge Lewis-zuurheidskarakter van silylium-ion, is de drijvende kracht van deze stap extreem hoog exotherm van afgifte N2. Over het algemeen,is Versie N2 hoogst exotherm en gaat door gecoördineerde reactiepadway34, 35. In deze reactie, gaat versie N2 door stapsgewijs mechanisme dat aan hoge positieve last van silylium ion (uiteinden+) kan worden toegeschreven. In de Ag-int5a is de lengte van de C-N binding direct verbonden met silylium ion (TIPS+) 1,53 Å, een andere c-n binding is 1.45 Å, die voornamelijk wordt veroorzaakt door een hoge positieve lading van TIPS+. De relatief langere C-N binding die door TIPS+ in Ag-int5a wordt veroorzaakt, wijst op zijn relatief gemakkelijke heterolyse karakter. Verder, kan de elektron-rijke C-Ag band zijn elektron aan het atoom C na heterolyse doneren, is dit zeer belangrijke drijvende kracht van C-N band heterolyse. Eigenlijk is dit heterolysis proces ook een elektronextractie competitie tussen Ag-C en Si-n, de positieve lading overgebracht van N-Si naar C-Ag deze keer (NBO ladingsverdeling laat zien dat elektron veranderd van 0,16 naar 0,59 in C-Ag en 1,79 naar 1.58 in n-Si van Ag-int5a tot Ag-int6a). Om deze redenen is de barrière voor heterolyse C-N binding en stapsgewijs N2 release slechts 2,9 kcal/mol. Als er geen TIPS+ in deze structuur, de reactie kan gaan door middel van een gezamenlijk mechanisme met een barrière (zie Ag-TS7b in Fig. 6b) 6,7 kcal / mol. De silylium ion gestabiliseerde dinitrogen intermediate Ag-int6a is zeer gemakkelijk om N2, TIPS+ en Ag-int7 vrij te geven (de negatieve vrije energiebarrière van deze stap komt van entropie en eenpuntsenergie correctie). TIPS + combinatie met Ag-int7 om het eindproduct te geven is zeer exotherm (-60,3 kcal/mol).

keton-enol tautomerisme pad weg (pad b)

in Ag-int4b is de α-koolstof dicht bij SP3 hybridisatie. De hoek C-Ag-C is 121,9° (Fig. 5b), net als Zijn α-H gesubstitueerde ketonanalogen, kan de intermediaire Ag-int4b door keton-Enol tautomerism stijl intramoleculaire isomerisatie gaan (Fig. 6) om Ag-int5b-1 te verkrijgen die ook de snelheidsbepalende stap van pad B (23,9 kcal/mol) is. De directe dissociatie van L-Ag+ van Ag-int4b is energetisch ongunstig met een barrière 33,1 kcal / mol (zie aanvullende Fig. 4.).

koper (I) gekatalyseerde IEDDA met SMC-mechanisme

Fig. 7: Koper (I) gekatalyseerd IEDDA.

L verwijst naar 2,2′-bipyridine(bpy). Gibbs vrije energieën zijn in kcal / mol. Het waterstofatoom werd weggelaten en het koolstofatoom van ligand was wit gehuld voor duidelijkheid. Triisopropylsilyl (TIPS) wordt vereenvoudigd tot grote bal behalve desilication proces en versa. a Reactieprofiel; B geoptimaliseerde geometrieën.

reactieweg

Avcı et al. onderzocht mechanisme met dichtheid functionele theorie (DFT), in hun berekening, ze vereenvoudigd triisopropylsilyl (TIPS) groep in trimethylsilyl (TMS) groep en vond dat deze reactie kan doorgaan door middel van stapsgewijs mechanisme17. We vergeleken de rate determining barrier (RDB) van ons voorgestelde SMC mechanisme met stapsgewijs mechanisme onder hun model gebruik verschillende niveau van theorie en vonden dat de barrière van ons voorgestelde SMC mechanisme lager is dan het stapsgewijs mechanisme van 9,8 kcal/mol tot 11.2 kcal / mol, wat een sterke ondersteuning is dat ons voorgestelde SMC mechanisme veel beter is dan stapsgewijs mechanisme (Zie details in aanvullende tabellen 1-3 en aanvullende Fig. 1). Als we hetzelfde referentiepunt gebruiken als hun werk (l-Ag+, 1a en 2a als referentiepunt) en geen gereduceerd model, is de barrière van zilver gekatalyseerd mechanisme 26.1 kcal/mol die ook in overeenstemming is met hun werk.

om verder te illustreren dat ons voorgestelde SMC-mechanisme meer geschikt is voor zilver(I) en koper(I) gekatalyseerde IEDDA-reactie, evalueerden we de barrière van de traditionele reactieweg met relatief stabielere п-complexen (Ag-int1 en Cu-int1) als referentiepunt.

met Ag-int1 als nulpunt is de barrière van zilver(I) gekatalyseerd stapsgewijs mechanisme 33,3 kcal/mol en gecoördineerd mechanisme 34 kcal/mol (Fig. 8a).

de barrière van de door koper gekatalyseerde cycloaditie is zeer hoog met stapsgewijs mechanisme 39,3 kcal / mol en het onderling afgestemde mechanisme 43,3 kcal / mol (Fig. 8 ter). Uiteraard, cyclization weg is niet begunstigd zowel in zilver(I) en koper (I) gekatalyseerde IEDDA reactie.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.