近年來，實驗科學(xué)家開始采用路易斯堿催化氧雜氮丙啶的擴環(huán)反應(yīng)來合成具有手性的4-惡唑啉酮結(jié)構(gòu)。例如，除去手性路易斯堿催化劑（如氮雜環(huán)卡賓和異硫脲）外，葉松研究員課題組報道了使用烯酮和酰氯作為反應(yīng)底物、Smith課題組報道了使用酸酐和醛作為反應(yīng)底物去參與實現(xiàn)氧雜氮丙啶的擴環(huán)反應(yīng)。盡管這些實驗科學(xué)家提供了有指導(dǎo)意義的實驗證據(jù)，并推測了可能的反應(yīng)機理，然而此類反應(yīng)的詳細催化反應(yīng)機理仍有多種可能反應(yīng)途徑需要系統(tǒng)研究，例如氧雜氮丙啶的開環(huán)位點問題(如圖1所示)，同時其立體選擇性起因仍然缺乏的理論上的認知。
圖1 路易斯堿（氮雜環(huán)卡賓）催化氧雜氮丙啶的可能擴環(huán)反應(yīng)機理 基于此，鄭州大學(xué)魏東輝教授課題組使用密度泛函理論（DFT）方法系統(tǒng)地研究了該類路易斯堿（以氮雜環(huán)卡賓為例，簡稱為NHC）催化氧雜氮丙啶的擴環(huán)反應(yīng)的可能反應(yīng)機理和立體選擇性起因。該工作從研究飽和醛與氧雜氮丙啶的[2 + 3]環(huán)化反應(yīng)模型的機理出發(fā)，揭示了反應(yīng)發(fā)生的通用途徑、立體選擇性的起源以及NHC催化劑的作用。研究結(jié)果表明，反應(yīng)大致可以分為三個過程(如圖2所示)，即催化劑吸附底物醛以形成烯醇鹽中間體、氧雜氮丙啶的開環(huán)、催化劑的脫附。其中第二個過程為此類反應(yīng)的立體選擇性決定步驟。 圖2 計算驗證的此類催化反應(yīng)的通用機理 對該過程的扭曲能計算以及非共價相互作用(NCI)分析發(fā)現(xiàn)氫鍵作用的數(shù)量是影響反應(yīng)立體選擇性的關(guān)鍵因素（如圖3所示）。針對反應(yīng)前兩個過程的全局反應(yīng)指數(shù)（GRI）分析可以發(fā)現(xiàn)NHC催化劑在此類反應(yīng)中的作用是將具有親電性的底物醛轉(zhuǎn)化為具有親核性的烯醇鹽中間體，也就是“極性反轉(zhuǎn)（Umpolung）”，而氧雜氮丙啶在第二過程中是作為親電試劑參與反應(yīng)的。值得一提的是，GRI分析的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)不同烯醇鹽中間體的親核性強弱可以用來預(yù)測不同路易斯堿催化劑的催化效率。 圖3 立體選擇性決定步驟過渡態(tài)TS4的非共價相互作用分析 此外，根據(jù)上述反應(yīng)機理的模型，可以拓展出路易斯堿催化其它羰基化合物作為底物時的一般反應(yīng)機理，例如烯酮等。這類底物共同的特征是在被NHC催化劑吸附以后可以得到親核的烯醇鹽中間體。這項工作為此種反應(yīng)類型進行了理論上的總結(jié)，也為今后此類反應(yīng)中路易斯堿催化劑的設(shè)計提供了有價值的理論參考數(shù)據(jù)。 點擊“閱讀原文”直達上述文章 Insights into highly selective ring expansion of oxaziridines under Lewis base catalysis: a DFT study Qiao-Chu Zhang, Xue Li, Xinghua Wang, Shi-Jun Li, Ling-Bo Qu, Yu Lan and Donghui Wei Org. Chem. Front., 2019,6, 679-687
https://doi.org/10.1039/C8QO01370E
