过渡金属化学选择性催化碳氢键胺化机理的理论计算研究

The investigation of the transition-metal-catalyzed organic reaction mechanism is a hot research field nowadays. The last decade has seen a rapid progress in the reaction of C-H bond amination catalyzed by transition metal catalysts. In particular, the chemoselective C-H bond amination has attracted considerable attention. It was reported that the Cu-based catalyst can chemoselectively catalyze benzylic C-H bond amination reaction, using the nitrene precursor as nitrogen source and mesitylene as a substrate. In contrast, the Fe-based and Au-based catalysts demonstrate excellent chemoselectivity toward aromatic C-H bond over benzylic C-H bond in terms of amination using the same substrate and nitrene precursor as nitrogen source. The studies of the reaction mechanism on C-H bond amination via organometallic catalysis are very limited and the origin of the chemoselective C-H bond amination is unknown. In this project, we plan to carry out density functional theory (DFT) calculation to explore the mechanistic difference between the aromatic sp2 C-H bond amination and alkyl sp3 (including benzylic) C-H bond amination catalyzed by each of the three catalytic systems. Moreover, the DFT study will shed light on mechanistic insights for the origin of the chemoselective C-H bond amination using the Cu, Fe, and Au catalysts. Computational studies of the reaction mechanism of C-H bond amination not only help to reveal the nature of the chemoselectivity of C-H bond amination, but also have instructive impact on the design of novel chemoselective catalytic systems.

研究过渡金属催化的反应机理是当前化学研究的一个热门领域。近十年来，过渡金属催化剂化学选择性催化C-H键胺化反应取得了很大进展。根据文献报道，以乃春前体为氮源，过渡金属铜催化剂可以选择性胺化均三甲苯苄位sp3 C-H键；而铁和金催化剂却选择性胺化该底物的芳基sp2 C-H键。关于过渡金属催化C-H键胺化反应的机理研究目前还很缺乏，化学选择性的根源也不清楚。本申请运用密度泛函理论计算，系统研究基于铜、铁和金的三种催化体系催化芳基sp2和烷基sp3（含苄位）两种不同类型C-H键胺化反应的机理。揭示芳基sp2 C-H键胺化反应和烷基sp3 C-H键（含苄位）胺化反应在每一催化体系下机理的差异。在此基础上，深入认识铜、铁和金三种催化体系选择性催化某一类型C-H键胺化的根源。该理论研究不仅有助于深入理解过渡金属催化C-H键胺化反应机理及选择性的根源，而且对于新的选择性催化体系的设计开发也具有指导意义。

本项目运用密度泛函理论计算系统研究基于铜和金两种催化体系催化芳基sp2和苄位sp3两种不同类型碳氢键胺化反应的机理。揭示芳基sp2 C-H键胺化反应和苄位sp3碳氢键胺化反应在每一催化体系下机理的差异，深入认识铜和金催化体系选择性催化某一类型碳氢键胺化的根源。理论研究发现铜-氮宾中间体的氮宾部分先加成到苯环上，形成类似于氮杂环丙烷的中间体，同时苯环去芳构化。接下来，在重新芳构化的驱动力下，碳氮键断裂。最后发生氢转移得到最终sp2碳氢键胺化产物。当底物是甲苯时，计算发现苄位sp3碳氢键通过自由基吸氢的分步过程进行碳氢键胺化，该机理比氮宾加成到芳环上的途径更为有利。. 关于金催化剂催化芳基sp2碳氢键胺化反应的机理，研究发现AuCl3催化剂更喜欢和PhI=NNs结合，而且得到的中间体也更加稳定。以该中间体为基础，我们提出σ键复分解的方式活化sp2碳氢键的机理。另外，我们还研究了苄位sp3碳氢键胺化的途径，发现活化苄位碳氢键得到的中间体使得苯环的芳香性得到破坏，进而导致能垒升高。该研究提出了AuCl3催化均三甲苯芳基碳氢键胺化反应的机理并揭示了选择性的根源。. 另外,除了利用活泼的氮宾中间体插入碳氢键来实现碳氢键直接胺化外，我们还关注了过渡金属钯催化剂在有外加氧化剂的条件下，碳氢键和胺的衍生物直接发生氧化偶联的化学反应机理。关于钯催化O-苯甲酰基羟胺参与的分子间碳氢键胺化反应，一般认为零价钯催化的反应是通过Pd(0)/Pd(II)这样一个催化循环进行的。很少有人注意到零价钯先氧化为二价钯，然后反应通过Pd(II)/Pd(IV)催化循环进行。在这个工作中，我们对Pd(0)促进的分子间N-芳基苯甲酰胺与O-苯甲酰基羟胺的碳氢键胺化的机理进行详细计算探索。理论研究发现Pd(0)将先被氧化到Pd(II)，接下来发生碳氢键活化生成二价环钯中间体，然后胺试剂中N-O键在Pd(II)中间体上发生氧化加成生成Pd(IV)中间体，随后发生还原消除得到目标胺化产物。整个反应经过Pd(II)/Pd(IV)催化循环进行。该理论研究不仅有助于深入理解过渡金属催化C-H键胺化反应机理及选择性的根源，而且对于新的选择性催化体系的设计开发也具有指导意义。

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