English

• 1.   引言

  伯胺与醛反应生成亚胺, 也称希夫碱^[1].醛胺缩合反应是一类重要的化学反应.亚胺及中间体氨基醇在制药、生命科学、催化、材料科学等领域中具有广泛的应用^[2~10].自20世纪70年代开始, 关于伯胺与醛反应生成亚胺的反应机理的研究被大量报道^[11~15].

  在中性和酸性条件下, 醛胺缩合反应通常经过三个步骤形成亚胺.醛与胺反应首先生成两性离子, 接着生成氨基醇中间体, 最后脱水形成亚胺产物(见图 1). 1974年Sayer等^[16]通过动力学方法研究了水溶液下醛与伯胺反应生成氨基醇的反应机理, 指出伯胺与醛结合首先形成两性离子后, 然后在水或胺等促进下将氢从胺基转移到羰基氧上得到氨基醇产物.同年, Rosenberg等^[17]在实验基础上推测该反应是两分子水协助的氢转移过程, 并预测了中间体结构. 1987年, Williams^[18]首次计算了氨和甲醛反应生成氨基甲醇的反应机理, 计算结果证实了水分子协助氢转移反应路径比直接通过极性四元环反应路径更具优势, 并且两分子水通过氢键桥参与氢质子转移的反应路径的能垒最低, 其过渡态几何形状基本符合Rosenberg的实验预测. 1998年, Smith等^[19]在G2(MP2, SVP)水平对甲胺与甲醛反应生成亚胺的反应机理进行了理论研究同样发现当两分子水参与质子转移时所形成甲醇胺的反应能垒最低.但在甲醇胺脱去水形成亚胺的过程中, 即使两分子水协助反应其反应能垒也达到26.73 kcal/mol, 解释了醛与胺在中性条件下反应生成氨基醇的实验现象.而在酸性条件下, 过低的pH值会使胺质子化从而导致反应速率降低^[20], 适当的pH值会加速反应^[21].因此, 在酸催化下, 氢质子先与醛底物的羰基氧原子结合形成质子化醛, 然后再与胺形成质子化氨基醇, 再直接或水分子协助脱水形成质子化希夫碱, 最后通过碱消除氢得到希夫碱^{[11, 15, 22, 23]}. Muñoz等^[24~26]利用密度泛函理论在(B3LYP/6-31+G*)水平下计算研究了维生素B6类似物的形成机理, 揭示了羟基协助氢转移的重要作用, 脱水步骤为反应的决速步骤.在关于磷脂酰乙醇胺和乙醛之间形成希夫碱的研究中, 他们提出了水分子形成氢键桥传递促进氢质子转移^[27], 总的反应能垒降至18.88 kcal/mol.酸催化下胺的衍生物如氨基脲的类醛胺缩合反应具有类似的反应机理^[28].可以看出, 在不同的反应条件及底物环境下, 醛胺缩合反应会呈现不同的反应模式.

  图 1

  

  图 1.  在中性和酸性水溶液下发生醛胺缩合反应机理示意图

  Figure 1.  Reaction mechanism of aldimine condensation of amine and aldehyde in neutral and acidic conditions

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  但是, 多数醛胺缩合反应在水相中进行, 在有机溶剂中的研究并不是很多^[29].而且, 该反应过程中反应物的结构变化有可能导致不同的反应机理. 2007年, Rebek等^[30]使用均三甲苯形成受体空腔结构研究氨基醇脱水的反应机理, 由于屏蔽了氨基醇与水分子的接触, 在有机溶剂下, 他们认为氨基醇通过四元环过渡态脱水是主要途径. 2013年, Di Stefano等^[31]在有机溶剂中进行了苯甲醛和丁胺之间可逆缩合的反应动力学研究, 指出溶剂性质对反应速率有显著影响.

  受前面工作的启发, 我们采用Jørgensen研究小组^[2]提出的MeO-PhCH(CH₃)CHO与新型伯胺催化剂O(CH₂CH₂)₂NCH₂CH(t-Bu)NH₂作为研究对象, 通过密度泛函理论计算研究了酸性和二氯甲烷溶剂环境中两者发生的缩合反应机理, 指出邻近氮杂环体系中氮原子协助氢转移路径的重要性, 为我们研究含邻近氮原子醛胺体系的醛胺缩合反应机理提供一定的理论参考.

  2.   结果与讨论

  2.1   酸性条件下胺与醛反应

  在酸性条件下, 氢质子可以与羰基氧和含邻近氮杂环胺底物的杂环氮原子结合, 根据结合位点的不同可分为两条反应路径(见图 2中Path 1和Path 2).在Path 1中, 胺底物1的杂环氮原子首先被质子化, 随后与醛形成中间体4a, 中间体4a经过构型转化形成4b, 使伯胺氮上的氢原子通过杂环氮原子转移到羟基形成中间体6, 最后脱去一分子水得到质子化亚胺7.在Path 2中, 氢质子先与2的羰基氧结合, 再与胺底物形成中间体4c, 最后脱水得到7.

  图 2

  

  图 2.  酸性条件下带邻近氮杂环胺与醛反应的反应路径示意图

  Figure 2.  The reaction pathways of the aldimine condensation of amine with nitrogenous heterocycle and aldehyde in acidic conditions

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  氢质子与胺的氮原子结合生成铵盐降低反应速率^[20], 因此酸催化通常先活化羰基, 使羰基碳更缺电子, 从而加强与伯胺的结合作用.当反应物胺含有邻近杂环氮原子时, 杂环上的氮原子的碱性强于羰基, 所以氢优先质子化1上的杂环氮原子形成3.如图 3中Path 1所示, 该反应步骤自由能变化为－46.42 kcal/mol.随后在羰基碳和胺上氨基氮形成C—N键步骤中, 杂环氮上的氢质子转移到羰基氧上, 形成质子化氨基醇4a, 能量上升1.07 kcal/mol.如图 4所示, 4a中碳氮键长为1.532 Å, 且H(2)指向N(1), 两原子间距为1.659 Å, 形成一个弱氢键.之后胺上的一个氢与杂环氮作用, 使得原本的羟基被排斥旋转到另一边形成中间体4b, 能量升高3.24 kcal/mol.从4b到过渡态TS1, 氢原子从伯胺转移到碱性更强的杂环氮原子上, 形成一个五元环过渡态, 反应能垒为0.85 kcal/mol. N(1)—H(1)键的键长由1.053 Å伸长到1.242 Å, 而H(1)—N(1)距离则由1.846 Å缩短到1.345 Å.随后, H(1)—N(1)距离继续缩短到1.036 Å, 形成中间体5, 能量下降7.38 kcal/mol.然后氢转移到羟基氧上, 反应位垒为13.08 kcal/mol.从5到TS2, H(1)—O(1)距离由1.878 Å缩短至过渡态TS2的1.085 Å. C(1)—O(1)键伸长到1.851 Å, C(1)—N(2)键长缩短到1.329 Å.随着C(1)—O(1)单键的断裂以及C(1)—N(2)双键的形成, 形成水和质子化亚胺复合物6, 最后脱水生成质子化亚胺7.

  图 3

  

  图 3.  酸性条件下带邻近氮杂环胺与醛反应的自由能示意图(能量: kcal/mol)

  Figure 3.  Free energy profiles for the aldimine condensation of amine with nitrogenous heterocycle and aldehyde in acidic conditions (all energies are denoted in kcal/mol)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  图 4

  

  图 4.  带邻近氮杂环胺与醛缩合反应计算的关键驻点几何结构

  Figure 4.  The optimized geometries of stationary points along the condensation of amine with nitrogenous heterocycle and aldehyde in acidic conditions

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  Path 2是氢质子先质子化羰基氧形成中间体8, 然后与1反应形成中间体4c.由于杂环位于4c另一平面, 杂环氮原子无法作为氢转移桥, 氢质子与邻近羟基氧形成四元环过渡态TS3生成中间体6, 这一步反应能垒为32.73 kcal/mol.在此过程中O(1)—H(1)距离由2.212 Å缩短至1.150 Å. N(2)—H(1)键的键长伸长至1.432 Å, ∠N(2)—C(1)—O(1)由4c的105.60°变为TS3的94.36°, 环张力的改变可能是此步骤能垒较高的原因.最后中间体6失去水分子得到质子化的亚胺7.

  比较path 1和path 2, 无论从动力学角度还是热力学角度均表明path 1中氢质子先与底物胺1上邻近杂环氮原子结合生成3是优势反应路径.而path 2中直接氢转移脱水的反应能垒远高于path 1中邻近杂环氮协助分步氢转移路径, 这些结果指出了在醛胺缩合反应邻近氮原子在氢转移脱水分子生成亚胺反应中的重要作用.同时, 我们也计算了水分子协助氢转移反应过程.但因为临近杂环, 在当前计算级别下找不到水分子协助脱水形成质子化亚胺, 反而是在羟基接受水分子传递氢的同时, 本身的氢也重新回到杂环氮上, 即4a中羟基氢与杂环氮形成的是一个低能垒氢键, 周围环境的变化导致氢重新转移回杂环氮上, 使得整体不是一个4c到6的过程, 而是一个4a到5的过程.计算得到的反应位垒分别为11.39和12.52 kcal/mol(详见SI中Fig. S4).这进一步说明了含有邻近氮杂环胺醛缩合反应体系中邻近氮原子辅助氢转移的重要作用.

  2.2   邻近杂原子调变效应研究

  为了研究邻近杂原子调变效应, 我们将胺邻近杂环上N原子调变为同主族的P原子和As原子, 通过改变杂原子的电负性, 探究不同杂原子对醛胺缩合反应活性的影响.研究结果表明, P, As原子的引入并不会对path 2有显著影响(详见附录数据文件SI中图S1), 因此, 这里只讨论path 1优势路径.如图 5所示, 氢首先质子化P, As原子, 此过程与前面讨论类似, 同样是一个热力学稳定的过程.相对于3能量下降了46.42 kcal/mol, 当底物N调变为P和As原子后质子化中间体能量分别降低40.04和36.15 kcal/mol.热力学稳定性依次降低, 这可能是因为P, As原子的碱性不如N原子.之后3P与醛2形成4aP时, 能量上升了2.08 kcal/mol.而3As与2形成4aAs时, 能量下降了5.93 kcal/mol, 之后通过构型变化, 伯胺的一个氢指向杂原子, 4bP, 4bAs能量分别上升0.70和0.05 kcal/mol.

  图 5

  

  图 5.  伯胺的杂原子为P, As时的反应的自由能示意图(能量: kcal/mol)

  Figure 5.  Free energy profiles in the reactions when heteroatom of primary amine is P and As (all energies are denoted in kcal/mol)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  表 1

  

  表 1  关键驻点几何结构部分键的键级

  Table 1.  Bond orders of the key optimized geometries of stationary points

  下载: 导出CSV

  Stationary points	Chemical bond	Mayer	Wiberg	Relative free energy G/(kcal·mol－1)
  4b	H(1)—N(2)	0.798	0.863	0.00
  4bP	H(1)—N(2)	0.861	0.917	0.00
  4bAs	H(1)—N(2)	0.864	0.920	0.00
  TS1	H(1)—N(2)	0.526	0.629	0.85
  TS1P	H(1)—N(2)	0.312	0.396	11.05
  TS1As	H(1)—N(2)	0.279	0.322	20.56
  5	H(1)—N(1)	0.812	0.882	0.00
  5P	H(1)—P(1)	0.913	0.930	0.00
  5As	H(1)—As(1)	0.926	0.955	0.00
  TS2	H(1)—N(1)	0.286	0.427	13.08
  TS2P	H(1)—P(1)	0.500	0.623	12.30
  TS2As	H(1)—As(1)	0.547	0.672	9.43

  第一个氢转移反应位垒在调变体系P和As中提高到11.55和20.56 kcal/mol.我们计算了此步反应中关键原子的Mayer及Wiberg键级, 结果表明, Mayer及Wiberg键级差别较小, 这也为数据的对比提供了可靠的支持. 4b的H(1)—N(2)的Mayer键级为0.798, 而4bP中为0.861, 4bAs为0.864, 这是因为4b中H(1)除了与N(2)成键以外还与N(1)之间存在一个氢键削弱了H(1)—N(2)键.而相应的P, As原子因为过大而远离H(1), 从而H(1)与N(2)之间有更好的成键作用.而从4b到TS1, H(1)—N(2)的Mayer键级降低了0.272, 调变后分别是0.549和0.585, Wiberg键级则分别下降0.234, 0.521和0.598.在第二个氢转移步骤中, H(1)向O(1)转移, TS2, TS2P和TS2As中的H(1)—X(1) (X＝N, P, As)与5, 5P, 5As相比, Mayer键级分别下降了0.526, 0.413, 0.379. Wiberg键级则降低0.455, 0.307, 0.283.与反应能垒呈现同样的变化趋势.最后6P, 6As脱去水分子, 得到产物7P和7As.

  通过杂原子调变, 整个反应的速度控制步骤发生了变化. N原子体系的速控步骤是第二个氢转移步骤, P原子体系两个氢转移步骤能垒相近, As原子体系反应的速控步骤变化为第一个氢转移步骤.如图 6所示, 键级的降低和反应能垒的变化趋势一致.伯胺氮上的氢经过TS1转移到杂环氮原子上, H(1)—N(2)键的键级变化在N、P和As的体系中逐渐增大, 表明H(1)—N(2)随着杂原子的调变越来越难断裂, 氢迁移难度逐渐加大, 第一个氢转移步骤能垒逐渐提高.随后, 杂环原子上氢经过TS2转移到羟基上, H(1)—X(1) (X＝N, P, As)的键级变化在N、P和As的体系中逐渐减小, 表明随着杂原子的调变H(1)—X(1)键越来越容易断裂, 氢迁移变得相对容易, 第二步氢转移能垒逐渐降低.杂原子的电荷随着原子调变逐渐增大(见SI中图S11), 碱性减弱, 造成第一个氢转移能垒增加, 第二个氢转移能垒降低, 这与键级变化分析一致.通过调变伯胺杂环上的氮原子, 展现了不同电子密度的杂原子对反应活性的影响, 随着杂原子电子密度的降低, 反应能垒逐渐提高.进一步肯定了邻近杂原子作为氢转移媒介的重要作用.

  图 6

  

  图 6.  键级的变化与反应能垒示意图

  Figure 6.  The profiles of relationship between the change of bond order and energy barrier

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  2.3   邻近氮原子位置调变效应研究

  为了进一步研究邻近氮原子作为氢转移媒介对反应机理的影响.我们对氮原子所处位置进行了调变.各驻点的名称标注与上述研究反应路径各驻点名称对应(图 7).为简洁起见, 我们选取1-己胺为反应底物, 将其2, 3, 4, 5号位的碳原子分别调变成氮原子与乙醛2ald反应, 并以质子化胺与乙醛单独存在的能量之和为零点.图中只给出氮原子处于3号位时的结构(其他见SI).如图所示, 质子化胺与乙醛结合成4a_Ni时除4a_N3之外其他能量都有明显上升, 这是因为它们都是从乙醛si面进攻, 甲基和环存在空间排斥.之后氮原子处于3, 4, 5号位上能垒都较低, 反应的能量跨度分别为11.46, 14.41和13.94 kcal/mol.可以看出, 当氮原子处于3号位时醛胺缩合反应最好.有趣的是, 当氮原子处于2号位时不仅后一步能垒提高到18.01 kcal/mol, 而且整个反应的速控步骤变成了第一个氢转移步骤, 能量跨度高达28.59 kcal/mol, 这是因为对于过渡态TS1_N2而言, 它经过的同样是一个四元环过渡态, 这和氢直接转移到羟基上脱水是相似的, 这证实了过渡态结构中的环张力是导致醛胺缩合直接脱水难度大的原因.通过对氮原子所处位置的调变, 我们进一步确定了环张力是导致醛胺缩合直接脱水的能垒高的原因.因此, 在邻近存在合适的质子转移媒介对醛胺缩合是极为有利的.

  图 7

  

  图 7.  邻近氮原子位置调变时反应的自由能示意图

  Figure 7.  Free energy profiles in the reactions when the position of adjacent nitrogen atom is modulated

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  3.   结论

  在ωB97X-D/6-31++G(d, p)水平下, 对含氮杂环的伯胺与醛在酸性条件下有机溶剂二氯甲烷作为溶剂时的反应机理进行了研究.研究结果表明, 和通常的酸催化醛胺缩合活化羰基相比, 杂环氮是个更好的反应位点, 其碱性远优于羰基氧并且可以避免形成环张力较大的四元环过渡态, 每一步的氢转移都可以借助杂环氮作媒介, 使反应能垒大大降低.氮原子体系的醛胺缩合反应的速控步骤是第二个氢转移步骤, 反应能垒为13.08 kcal/mol.同时, 对伯胺杂环上的氮原子调变为P原子和As原子的调变研究表明, 随着杂原子电子密度的降低, 反应能垒逐渐提高.对底物中-NH₂基团邻近氮原子位置的调变效应研究表明, 当氮原子处于3号位时醛胺缩合反应最好.上述研究揭示了邻近氮原子作为氢转移媒介的重要作用, 这为深刻理解和认识伯胺与醛的醛胺缩合反应机理提供了新的思路.

  4.   计算方法

  本课题中所有中间体和过渡态的结构均采用密度泛函理论(DFT) ωB97X-D方法^[32], 所有原子均采用6-31++G(d, p)基组.以二氯甲烷为溶剂进行计算, 采用了Truhlar等^[33]提出的SMD溶剂化模型.在本课题中所有能量均为采用ωB97X-D方法以二氯甲烷为溶剂计算得出的吉布斯自由能, 其中氢质子的溶剂化自由能用H₃O⁺和H₂O能量之差近似.通过对反应过程中的驻点进行振动频率计算, 确认了所有的稳定点均无虚频, 全部过渡态有且仅有一个负本征值.对所有过渡态结构做了内禀反应坐标(IRC)分析, 证实了过渡态可以很好地与左右中间体连接^[34].所有分子没有进行简化处理, 均进行全模型优化, 以求与真实反应条件相接近.键级分析^{[35, 36]}是在6-311G(d, p)级别下通过Multiwfn程序^[37]辅助完成.本理论研究所使用的软件为Gaussian 09程序包^[38].文中呈现分子结构所用的软件是CYLView^[39].

  
  Supporting information for this article is available free of charge via the Internet at http://sioc-journal.cn.
  
• 1. [1]

     Schiff, H. Justus Liebigs Ann. Chem. 1864, 131, 118. doi: 10.1002/jlac.18641310113

  2. [2]

     Leth, L. A.; Naesborg, L.; Reyes-Rodriguez, G. J.; Tobiesen, H. N.; Iversen, M. V.; Jorgensen, K. A. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12687. doi: 10.1021/jacs.8b07394

  3. [3]

     Rezayee, N. M.; Lauridsen, V. H.; Naesborg, L.; Nguyen, T. V. Q.; Tobiesen, H. N.; Jorgensen, K. A. Chem. Sci. 2019, 10, 3586. doi: 10.1039/C9SC00196D

  4. [4]

     Liu, Y.; Yue, X.; Luo, C.; Zhang, L.; Lei, M. Energy Environ. Mater. 2019, 2, 292. doi: 10.1002/eem2.12050

  5. [5]

     Stana, A.; Enache, A.; Vodnar, D. C.; Nastasa, C.; Benedec, D.; Ionut, I.; Login, C.; Marc, G.; Oniga, O.; Tiperciuc, B. Molecules 2016, 21, 1595. doi: 10.3390/molecules21111595

  6. [6]

     洪梅, 闵洁, 王石发, 有机化学, 2018, 38, 1907. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YJHU201808005.htmHong, M.; Min, J.; Wang, S. Chin. J. Org. Chem. 2018, 38, 1907(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YJHU201808005.htm

  7. [7]

     李远明, 贾凡, 马丽娜, 李志平, 化学学报, 2015, 73, 1311. doi: 10.3969/j.issn.0253-2409.2015.11.005Li, Y.; Jia, F.; Ma, L.; Li, Z. Acta Chim. Sinica 2015, 73, 1311(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0253-2409.2015.11.005

  8. [8]

     胡书博, 陈木旺, 翟小勇, 周永贵, 化学学报, 2018, 76, 103. doi: 10.6023/A17110476Hu, S.-B.; Chen, M.-W.; Zhai, X.-Y.; Zhou, Y.-G. Acta Chim. Sinica 2018, 76, 103(in Chinese). doi: 10.6023/A17110476

  9. [9]

     王辉, 黄龙江, 有机化学, 2019, 39, 883. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YJHU201904002.htmWang, H.; Huang, L. Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 883(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YJHU201904002.htm

  10. [10]

      Xiao, M.; Yue, X.; Xu, R.; Tang, W.; Xue, D.; Li, C.; Lei, M.; Xiao, J.; Wang, C. Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 10528. doi: 10.1002/anie.201905870

  11. [11]

      Santerre, G. M.; Hansrote, C. J.; Crowell, T. I. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1254. doi: 10.1021/ja01538a056

  12. [12]

      Martin, R. B. J. Phys. Chem. 1964, 68, 1369. doi: 10.1021/j100788a017

  13. [13]

      Makela, M. J.; Korpela, T. K. Chem. Soc. Rev. 1983, 12, 309. doi: 10.1039/CS9831200309

  14. [14]

      Jencks, W. P. Prog. Phys. Org. Chem. 1964, 2, 63.

  15. [15]

      Hine, J.; Via, F. A.; Gotkis, J. K.; Craig, J. C. J. Am. Chem. Soc. 1970, 92, 5186. doi: 10.1021/ja00720a031

  16. [16]

      Sayer, J. M.; Pinsky, B.; Schonbrunn, A.; Washtien, W. J. Am. Chem. Soc. 1974, 96, 7998. doi: 10.1021/ja00833a027

  17. [17]

      Rosenberg, S.; Silver, S. M.; Sayer, J. M.; Jencks, W. P. J. Am. Chem. Soc. 1974, 96, 7986. doi: 10.1021/ja00833a026

  18. [18]

      Williams, I. H. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 6299. doi: 10.1021/ja00255a012

  19. [19]

      Hall, N. E.; Smith, B. J. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 4930. doi: 10.1021/jp9810825

  20. [20]

      Jencks, W. P. J. Am. Chem. Soc. 1959, 81, 475. doi: 10.1021/ja01511a053

  21. [21]

      Jencks, W. P. Acc. Chem. Res. 1976, 9, 425. doi: 10.1021/ar50108a001

  22. [22]

      Sayer, J. M.; Jencks, W. P. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 5637. doi: 10.1021/ja00798a031

  23. [23]

      Ding, Y. Q.; Cui, Y. Z.; Li, T. D. J. Phys. Chem. A 2015, 119, 4252. doi: 10.1021/acs.jpca.5b02186

  24. [24]

      Salva, A.; Donoso, J.; Frau, J.; Muñoz, F. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 9409. doi: 10.1021/jp034769k

  25. [25]

      Ortega-Castro, J.; Adrover, M.; Frau, J.; Salva, A.; Donoso, J.; Muñoz, F. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 4634. doi: 10.1021/jp909156m

  26. [26]

      Casasnovas, R.; Salvà, A.; Frau, J.; Donoso, J.; Muñoz, F. Chem. Phys. 2009, 355, 149. doi: 10.1016/j.chemphys.2008.12.006

  27. [27]

      Solis-Calero, C.; Ortega-Castro, J.; Muñoz, F. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 15879. doi: 10.1021/jp1088367

  28. [28]

      Kirmizialtin, S.; Yildiz, B. S.; Yildiz, I. J. Phys. Org. Chem. 2017, 30, 1.

  29. [29]

      Ciaccia, M.; Di Stefano, S. Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 646. doi: 10.1039/C4OB02110J

  30. [30]

      Hooley, R. J.; Iwasawa, T.; Rebek, J., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15330. doi: 10.1021/ja0759343

  31. [31]

      Ciaccia, M.; Cacciapaglia, R.; Mencarelli, P.; Mandolini, L.; Di Stefano, S. Chem. Sci. 2013, 4, 2253. doi: 10.1039/c3sc50277e

  32. [32]

      Chai, J.-D.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6615. doi: 10.1039/b810189b

  33. [33]

      Marenich, A. V.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6378. doi: 10.1021/jp810292n

  34. [34]

      Hratchian, H. P.; Schlegel, H. B. J. Chem. Phys. 2004, 120, 9918. doi: 10.1063/1.1724823

  35. [35]

      Mayer, I. Chem. Phys. Lett. 1983, 97, 270. doi: 10.1016/0009-2614(83)80005-0

  36. [36]

      Wiberg, K. B. Tetrahedron 1968, 24, 1083. doi: 10.1016/0040-4020(68)88057-3

  37. [37]

      Lu, T.; Chen, F. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580. doi: 10.1002/jcc.22885

  38. [38]

      Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery Jr., J. A.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M.; Heyd, J. J.; Brothers, E.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Keith, T.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, J. M.; Klene, M.; Knox, J. E.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas, O.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, Revision B. 01. Gaussian, Inc., Wallingford, 2010.

  39. [39]

      Legault, C. Y. CYLview, 1.0b, Université de Sherbrooke, 2009, http://www.cylview.org.

• 

  图 1  在中性和酸性水溶液下发生醛胺缩合反应机理示意图

  Figure 1  Reaction mechanism of aldimine condensation of amine and aldehyde in neutral and acidic conditions

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 2  酸性条件下带邻近氮杂环胺与醛反应的反应路径示意图

  Figure 2  The reaction pathways of the aldimine condensation of amine with nitrogenous heterocycle and aldehyde in acidic conditions

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 3  酸性条件下带邻近氮杂环胺与醛反应的自由能示意图(能量: kcal/mol)

  Figure 3  Free energy profiles for the aldimine condensation of amine with nitrogenous heterocycle and aldehyde in acidic conditions (all energies are denoted in kcal/mol)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 4  带邻近氮杂环胺与醛缩合反应计算的关键驻点几何结构

  Figure 4  The optimized geometries of stationary points along the condensation of amine with nitrogenous heterocycle and aldehyde in acidic conditions

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 5  伯胺的杂原子为P, As时的反应的自由能示意图(能量: kcal/mol)

  Figure 5  Free energy profiles in the reactions when heteroatom of primary amine is P and As (all energies are denoted in kcal/mol)

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 6  键级的变化与反应能垒示意图

  Figure 6  The profiles of relationship between the change of bond order and energy barrier

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 7  邻近氮原子位置调变时反应的自由能示意图

  Figure 7  Free energy profiles in the reactions when the position of adjacent nitrogen atom is modulated

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  表 1  关键驻点几何结构部分键的键级

  Table 1.  Bond orders of the key optimized geometries of stationary points

  Stationary points	Chemical bond	Mayer	Wiberg	Relative free energy G/(kcal·mol－1)
  4b	H(1)—N(2)	0.798	0.863	0.00
  4bP	H(1)—N(2)	0.861	0.917	0.00
  4bAs	H(1)—N(2)	0.864	0.920	0.00
  TS1	H(1)—N(2)	0.526	0.629	0.85
  TS1P	H(1)—N(2)	0.312	0.396	11.05
  TS1As	H(1)—N(2)	0.279	0.322	20.56
  5	H(1)—N(1)	0.812	0.882	0.00
  5P	H(1)—P(1)	0.913	0.930	0.00
  5As	H(1)—As(1)	0.926	0.955	0.00
  TS2	H(1)—N(1)	0.286	0.427	13.08
  TS2P	H(1)—P(1)	0.500	0.623	12.30
  TS2As	H(1)—As(1)	0.547	0.672	9.43

  下载: 导出CSV
•