不对称催化合成就是在手性环境中把非手性原料转化为对映体过量的手性分子的过程[1].由于手性物质的对映体之间有许多相同的理化性质, 如熔点、溶解度、发生相同类型的化学反应等, 也有一些不同的理化性质, 如旋光性、气味等[2].长期以来, 人们只能从动植物体内提取或天然化合物的转化来制取手性化合物[3]; 一般的化学合成在得到外消旋混合物后需拆分后才能得到单一的手性化合物, 并消耗等量的手性拆分剂; 而不对称催化合成仅需少量的手性催化剂, 就可合成出大量的手性药物, 且污染小, 是符合环保要求的绿色合成, 从而引起了人们的关注[4].物质的手性、物质的手性反应以及物质的手性合成和分离等已经具有不可轻视的重大意义.近年来, 有机小分子催化的不对称合成在不对称催化领域的价值被重新挖掘, 成为继有机金属催化及酶催化之后发展起来的又一个重要的不对称催化方法[5].与有机金属催化相比, 有机小分子催化剂一般对水、空气稳定, 反应操作简便, 易于工业放大, 而且更重要的是其不含有毒金属, 这在药物合成中尤为重要; 与酶催化相比, 小分子催化没有酶催化这样强的底物和反应专一性, 常常是一个催化剂可以催化几类反应, 而且反应底物适应性相对较好[6].同时可以利用少量催化剂得到大量手性化合物, 是最为“经济”的方法.吲哚及其衍生物与不饱和醛酮的不对称催化反应能合成具有光学活性的吲哚类生物碱[7]. 2001年, Jorgensen等[8]首次报道了手性双噁唑啉-Cu(II)配合物催化吲哚与β, γ-不饱和酮酸酯的不对称催化反应.随后唐勇课题组[9]利用Cu(ClO4)•6H2O的三噁唑啉配合物对该反应进行了改进. 2003年, Bandini课题组[10]首次报道了用手性(R, R')-[Al(salen)Cl]配合物催化吲哚与α, β-不饱和酮的不对称反应. 2007年, Blay等[11]报道用BINOL与Zr(Ot-Bu)4分别催化吲哚与不饱和酮的不对称反应. 2008年, Desimoni等[12]报道了用Sc(OTf)3/pybox催化吲哚与β, γ-不饱和酮酸酯的不对称反应.近年来, 理论计算方法被广泛运用于催化剂优化反应微观机理的研究.它对反应机理的描述和寻找新方法通道有着独特的优势.能很好地解释催化剂的作用机制和诸多实验现象, 并为实验结果提供可靠的理论数据[13]. 2015年, Reddi等[14]研究了手性N-杂环卡宾和奎宁的不对称催化的反应机理.理论计算在实验方法的研究中具有重要的作用[15, 16].本文采用密度泛函理论深入探讨了InX3 (X=F, Br)催化N-甲基吲哚与酮酸酯不对称合成机理, 以揭示催化作用机制.
本文采用密度泛函理论[17~19], 使用连续介质模型(PCM)[20], 二氯乙烷(DCE)作为溶剂, 在B3LYP/6-31+G(d, p)水平下(In采用赝势基组LanL2DZ), 研究了InX3 (X=F, Br)催化N-甲基吲哚与酮酸酯不对称合成微观反应机理, 优化了反应过程中所有反应物、过渡态、中间体以及产物的几何构型.同时进行了频率计算, 各过渡态都有唯一虚频, 通过振动分析和内禀反应坐标(IRC)[21, 22]计算分析, 进一步确认了中间体和过渡态的合理性; 用自然键轨道(NBO)理论[23]分析了分子的轨道间相互作用, 计算了所有中间体及过渡态的波函数, 用AIM2000程序包[24]计算了所有化合物的电荷密度, 进行了成键临界点(BCP)电荷密度分析.为了对比实验结果, 理论计算压强和温度设置均为程序默认的101 kPa和298.15 K.所有的计算均采用Gaussian 09[25]程序包完成.
我们研究了二氯乙烷(DCE)为溶剂, InF3作催化剂, 甲基吲哚与酮酸酯反应形成1, 2-加成和1, 4-加成的反应机理, 其中反应流程示意图见Scheme 1.该反应机理中所有反应物、中间体、过渡态和产物的优化分子构型以及部分键临界点(BCP)电荷密度见图 1, 反应各驻点能级示意图见图 2, 通过能量校正后各物质的相关能量见表 1.
在路径Scheme 1中, 反应的第一步是酮酸酯R1与催化剂InF3络合配位形成中间体M1-F.中间体M1-F中C(4)—O(1)的键长为0.1259 nm, 电荷密度为0.3566 a.u.相对反应物R1中C(4)—O(1)键增长了0.0030 nm, 表明O(1)-In键已经形成.同时, C(3)—C(4)和C(4)—C(5)的键长分别由0.1462和0.1551 nm减小为0.1422和0.1541 nm, 电荷密度由0.2826和0.2495 a.u.增加为0.3030和0.2557 a.u.表明O(1)-In键的形成使C(3)—C(4)和C(4)—C(5)键增强, 同时使C(4)—O(1)键减弱.自然键轨道理论(NBO)分析可知, 在中间体M1-F中, LP(2)O→LP*(4) In为19.03 kcal/mol, 表明它们之间存在轨道间的相互作用.由表 1中能量数据可以看出, 中间体M1-F生成体系能量降低了25.60 kcal/mol, 说明中间体M1-F易形成并能够稳定存在, 完成了催化活化过程.中间体M1-F与N-甲基吲哚R2通过过渡态T1-F形成中间体M2-F, 活化能为6.67 kcal/mol.在过渡态T1-F中, C(4)—C(6)键已部分形成, 键长为0.1974 nm, 电荷密度为0.0920 a.u.在中间体M2-F中, C(4)—C(6)已完全形成, 键长为0.1620 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.2015 a.u. M2-F通过1, 2-加成反应, 通过过渡态T2-F形成中间体M3-F, 其活化能为25.62 kcal/mol, 为反应的速控步骤.在过渡态T2-F中, C(6)—H(1)之间的键长由0.1100 nm增长为0.1337 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.2682 a.u.减小为0.1398 a.u., O(1)—H(1)的键长为0.1376 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.1116 a.u., 表明H(1)逐渐脱离C(6)原子, C(6)—H(1)键逐渐断裂, O(1)—H(1)键已部分形成.在中间体M3-F中, O(1)—H(1)键已完全形成, O(1)—H(1)的键长为0.0980 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.3306 a.u., 中间体M3-F脱去InF3形成产物P1.
中间体M1-F与N-甲基吲哚R2通过过渡态T3-F形成M4-F, 活化能为5.12 kcal/mol.在过渡态T3-F中, C(2)—C(6)键已部分形成, 键长为0.2101 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.0673 a.u.在中间体M4-F中, C(2)—C(6)已完全形成, 键长为0.1596 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.2094 a.u. M4-F通过1, 4-加成反应, 经过渡态T4-F形成中间体M5-F, 其活化能为8.18 kcal/mol.在过渡态T4-F中, C(6)—H(1)之间的键长由0.1101 nm增长为0.1380 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.2666 a.u.减小为0.1269 a.u., O(1)—H(1)的键长为0.1259 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.1496 a.u., 表明H(1)逐渐脱离C(6)原子, C(6)—H(1)键逐渐断裂, O(1)—H(1)键已部分形成.在中间体M5-F中, O(1)—H(1)键已完全形成, O(1)—H(1)的键长为0.0994 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.3114 a.u.中间体M5-F通过过渡态T5-F形成中间体M6-F, 其活化能为12.52 kcal/mol, 为反应的速控步骤.在过渡态T5-F中, C(3)—C(4)之间的键长由0.1352 nm增长为0.1379 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.3394 a.u.减小为0.3246 a.u., C(3)—H(1)的键长为0.1475 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.0996 a.u., 表明H(1)逐渐脱离O(1)原子, O(1)—H(1)键逐渐断裂, C(3)—H(1)键已部分形成.在中间体M6-F中, C(3)—H(1)键已完全形成, C(3)—H(1)的键长为0.1105 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.2613 a.u.中间体M6-F脱去InF3形成产物P2. C(4)—O(1)的键长由0.1235 nm变为0.1218 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.3809 a.u.变为0.4017 a.u.
由表 1中能量数据可以看出, 反应物R1与催化剂结合形成中间体M1-F的过程, 能量降低了27.60 kcal/mol, 表明中间体M1-F能稳定存在.中间体M1-F与N-甲基吲哚R2通过过渡态T1-F形成中间体M2-F.活化能为6.67 kcal/mol. M2-F通过1, 2-加成反应, 通过过渡态T2-F形成中间体M3-F, 其活化能为25.62 kcal/mol, 为反应的速控步骤.中间体M1-F与N-甲基吲哚(R2)通过过渡态T3-F形成M4-F.活化能为5.12 kcal/mol. M4-F通过1, 4-加成反应, 经过渡态T4-F形成中间体M5-F, 其活化能为8.18 kcal/mol.中间体M5-F通过过渡态T5-F形成中间体M6-F, 其活化能为12.52 kcal/mol, 为1, 4-加成反应的速控步骤. 1, 4-加成所需要的活化能更低, 反应更容易进行.这与吕键等[26]所报道的文献相一致.
我们研究相同溶剂条件下, InBr3作催化剂, 甲基吲哚与酮酸酯反应形成1, 2-加成和1, 4-加成的反应机理, 其中反应流程示意图见Scheme 2.该反应机理中所有反应物、中间体、过渡态和产物的优化分子构型以及部分键临界点(BCP)电荷密度(图中括号内)列于图 3, 反应各驻点能级示意图见图 4, 通过能量校正后各物质的相关能量见表 2.
反应的第一步是酮酸酯R1与催化剂InBr3络合络合配位形成中间体M1-Br.中间体M1-Br中C(4)—O(1)的键长为0.1266 nm, 电荷密度为0.3568 a.u.相对反应物R1中C(4)—O(1)键增长了0.0038 nm, 表明O(1)—In键已经形成.同时, C(3)—C(4)和C(4)—C(5)中的键长分别由0.1462和0.1551 nm减小为0.1418和0.1532 nm, 电荷密度由0.2826和0.2495 a.u.增加为0.3053和0.2593 a.u.表明O(1)—In键的形成使C(2)—C(3)和C(3)—C(4)键增强, 同时使C(3)—O(1)键减弱.自然键轨道理论(NBO)分析可知在中间体M1-Br中, LP(2)O→LP*(4) In为40.64 kcal/mol, 表明它们之间存在较强的轨道间相互作用.由表 2中能量数据可以看出, 中间体M1-Br的生成体系能量降低了25.41 kcal/mol, 说明中间体M1-Br易形成并能够稳定存在, 完成了催化活化过程.中间体M1-Br与N-甲基吲哚R2通过过渡态T1-Br形成M2-Br, 活化能为9.27 kcal/mol.在过渡态T1-Br中, C(4)—C(6)键已部分形成, 键长为0.2001 nm, 电荷密度为0.0870 a.u.在中间体M2-Br中, C(4)—C(6)已完全形成, 键长为0.1625 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.1999 a.u. M2-Br通过1, 2-加成反应, 经过渡态T2-Br形成中间体M3-Br, 其活化能为26.87 kcal/mol, 为反应的速控步骤.在过渡态T2-Br中, C(6)—H(1)之间的键长由0.1099 nm增长为0.1369 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.2652 a.u.减小为0.1274 a.u., O(1)—H(1)的键长为0.1330 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.1249 a.u., 表明H(1)逐渐脱离C(6)原子, C(6)—H(1)键逐渐断裂, O(1)—H(1)键已部分形成.在中间体M3-Br中, O(1)—H(1)键已完全形成, O(1)—H(1)的键长为0.0980 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.3298 a.u.中间体M3-Br脱去InF3形成产物P1.
中间体M1-Br与N-甲基吲哚R2经过渡态T3-Br形成M4-Br, 活化能为8.23 kcal/mol.在过渡态T3-Br中C(2)—C(6)已部分形成, 键长为0.2111 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.0661 a.u.在中间体M4-Br中, C(2)—C(6)已完全形成, 键长为0.1595 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.2012 a.u. M4-Br通过1, 4-加成反应, 经过渡态T4-Br形成中间体M5-Br, 其活化能为9.32 kcal/mol.在过渡态T4-Br中, C(6)—H(1)之间的键长由0.1101 nm增长为0.1395 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.2667 a.u.减小为0.1225 a.u., O(1)—H(1)的键长为0.1245 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.1551 a.u., 表明H(1)逐渐脱离C(6)原子, C(6)—H(1)键逐渐断裂, O(1)—H(1)键已部分形成.在中间体M5-Br中, O(1)—H(1)键已完全形成, O(1)—H(1)的键长为0.0997 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.3082 a.u.中间体M5-Br通过过渡态T5-Br形成中间体M6-Br, 其活化能为13.95 kcal/mol, 为反应的速控步骤.在过渡态T5-Br中, C(3)—C(4)之间的键长由0.1340 nm增长为0.1379 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.3446 a.u.减小为0.3250 a.u., C(3)—H(1)的键长为0.1454 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.1043 a.u., 表明H(1)逐渐脱离O(1)原子, O(1)—H(1)键逐渐断裂, C(3)—H(1)键已部分形成.在中间体M6-Br中, C(2)—H(1)键已完全形成, C(3)—H(1)的键长为0.1105 nm, 键临界点(BCP)电荷密度为0.2717 a.u.中间体M6-Br脱去InBr3形成产物P2. C(4)—O(1)的键长由0.1235 nm变为0.1218 nm, 键临界点(BCP)电荷密度由0.3784 a.u.变为0.4017 a.u.
由图 4中能量数据可以看出, 反应物R1与催化剂结合形成中间体M1-Br的过程, 能量降低了25.41 kcal/mol, 表明中间体M1-Br能稳定存在.中间体M1-Br与N-甲基吲哚(R2)通过过渡态T1-Br形成中间体M2-Br活化能为9.27 kcal/mol. M2-Br通过1, 2-加成反应, 通过过渡态T2-Br形成中间体M3-Br, 其活化能为26.87 kcal/mol, 为反应的速控步骤.中间体M1-Br与N-甲基吲哚(R2)通过过渡态T3-Br形成M4-Br, 活化能为8.23 kcal/mol. M4-Br通过1, 4-加成反应, 经过渡态T4-Br形成中间体M5-Br, 其活化能为9.32 kcal/mol.中间体M5-Br通过过渡态T5-Br形成中间体M6-Br, 其活化能为13.95 kcal/mol, 为1, 4-加成反应的速控步骤. 1, 4-加成所需要活化能更低, 反应更容易进行.这也与文献[26]相一致.比较InF3和InBr3催化效果, InF3催化有利于1, 4-加成反应的进行, 反应所需活化能更低.我们研究结果能很好地解释实验使用InF3催化提高1, 4-加成产物的原因.从图 2和图 4的反应能级图可以看出, 1, 2加成产物热力学稳定性较差, 这可能也是其产率较低的原因.
溶剂效应在有机反应中起着很重要的作用, 选择合适的溶剂可以加快反应速率、提高反应产率, 因此溶剂效应的研究越来越受到众多关注.密度泛函理论也广泛使用于溶剂效应的理论研究[27~31].为了探讨溶剂化作用的影响, 分别选取了乙腈(CH3CN)、乙醇(C2H5OH)、二氯乙烷(DMF)、二甲亚砜(DMSO)四种溶剂, 采用连续介质模型, 在以上四种溶剂条件下对反应过程中各驻点进行了全参数优化和能量分析.反应活化步骤的能量变化见表 3.从表 3中看出:在不同溶剂条件下, 反应过程的活化能均有不同的变化, 速控步骤均一致, 速控步骤的活化能比较接近.同时, 不同溶剂条件下, InF3催化有利于提高1, 4-加成产物, 在二甲亚砜(DMSO)溶剂条件下, 反应速控步骤所需活化有所下降更有利于1, 4-加成产物生成, 这是我们结果的理论预测.
本文采用密度泛函理论在B3LYP/6-31+G(d, p)基组水平上(In采用赝势基组LanL2DZ)二氯乙烷(DCE)为溶剂的条件下研究了InX3 (X=F, Br)催化N-甲基吲哚与酮酸酯不对称合成反应机理.研究发现InF3作催化条件下, 反应可能的反应通道为R1+R2+R3→M1-F+R2→T1-F→M2-F→T2-F→M3-F→P1, R1+R2+R3→M1-F+R2→T3-F→M4-F→T4-F→M5-F→T5-F→M6-F→P2; InBr3作催化剂的条件下, 反应可能的反应通道为R1+R2+R4→M1-Br+R2→T1-Br→M2-Br→T2-Br→M3-Br→P1, R1+R2+R4→M1-Br+R2→T3-Br→M4-Br→T4-Br→M5-Br→T5-Br→M6-Br→P2.对反应各驻点的能量分析结果表明, 在InF3催化条件下, M1-F通过1, 2-加成反应速控步骤的活化能为25.62 kcal/mol, 而1, 4-加成反应速控步骤的活化能仅为12.52 kcal/mol, 1, 4-加成反应所需活化能较低, 反应更容易进行. InBr3作为催化剂的条件下, M1-Br通过1, 2-加成反应速控步骤的活化能为26.87 kcal/mol, 通过1, 4-加成反应速控步骤的活化能为13.95 kcal/mol, 同样1, 4-加成反应所需活化能较低.比较InF3和InBr3催化目标反应的效果, InF3催化有利于1, 4-加成反应的进行, 反应所需活化能更低, 研究结果能很好地解释实验使用InF3催化提高1, 4-加成产物的原因.模拟了4种溶剂对反应过程的影响.在不同溶剂条件下, 反应过程的活化能均有不同的变化, 速控步骤均一致, 同时, InF3催化有利于提高1, 4-加成产物, 在二甲亚砜(DMSO)溶剂条件下, 反应速控步骤所需活化有所下降更有利于1, 4-加成产物生成.所以我们预测:二甲亚砜(DMSO)溶剂条件下, InF3催化1, 4-加成产物的产率会更高.