曲阜师范大学蒋原野团队：ACS Catalysis | 铜催化烯烃链接酰胺好氧胺氧化反应的机理研究

英文原题：Computation Study on Copper-Catalyzed Aerobic Intramolecular Aminooxygenative C═C Bond Cleavage to Imides: Different Roles of Mononuclear and Dinuclear Copper Complexes

通讯作者：蒋原野，曲阜师范大学

作者：Yu Li (李玉), Guo-Cui Ji (纪国翠), Chen Chao (陈超), Siwei Bi (毕思玮), Yuan-Ye Jiang (蒋原野)

氧化反应是化学反应中的一个大门类，具有极为广泛的应用，但该类反应常依赖于高活性、高毒性、环境不友好的氧化剂。氧气因其廉价易得、可再生、副产物环境友好等优点被认为是一种理想的氧化剂。受含铜氧化酶启发，研究者们基于铜配合物发展出诸多仿生铜催化好氧反应，但在底物适用范围、氧化反应类别、反应选择性调控和手性中心构建等等方面仍有很大提升空间。

深度的反应拓展离不开对反应本质的准确把握。因为铜-氧(气)配合物在配位结构、电子结构和反应特性上的多样性，铜催化好氧反应的机理颇为复杂，给相关研究带来挑战。此前，对均相铜催化好氧反应的完整催化机理报道集中在醇脱氢、炔烃或胺脱氢偶联、苄位C−H键羟基化、C(O)−C键加氧断裂以及炔烃和酚加氧C(O)−Ar键偶联等反应，尚有很多新型的铜催化好氧反应机理亟待澄清。

近日，曲阜师范大学蒋原野团队采用密度泛函理论计算方法，报道了铜催化烯烃链接酰胺好氧胺氧化形成酰亚胺的机理研究。该研究发现Cu(I)催化剂前体LCuOAc通过单/三重态交叉的途径完成烯烃胺铜化优于单纯的单重态或三重态途径，但因醋酸根参与的N−H键活化在热力学上不利，后续过程依然难以在实验报道温度下发生。与之相比，LCuOAc更容易与氧气结合形成双核Cu(III)−oxo配合物，然后与底物N−H键反应依次形成双核Cu(II)−OH配合物和异双核Cu(II)−Cu(I)配合物，并最终产生活性的单核Cu(II)配合物LCu(OAc)OH D10和LCu(OAc)OOR D18（图1）。LCu(OAc)OH可以作为活性催化剂完成烯烃链接酰胺先到α-酰胺化醛b1再到酰亚胺pro的转化。其中，烷基过氧化Cu(II)中间体D18和D29可以经过醋酸根参与的质子耦合电子转移(PCET)、协同的PCET/O−O键断裂这种分步机理，分别形成b1和pro。相关步骤的能垒十分接近，均可能为该催化反应的决速步。另外，对b1转化到pro的研究发现，前人提出的醛Cα−H键活化可行，但更容易最终形成CO2和H2为副产物，与实验观测到的副产物不符。该报道发现醛的C(O)−H活化机理更为优势，且产生CO和H2O为副产物，与实验观测相符。

图1. 基于理论计算研究提出的Cu催化烯烃链接酰胺好氧氧化形成酰亚胺的机理

此外，该研究还对比了LCu(OAc)2和LCu(OH)2等Cu(II)配合物催化该反应的可行性（图2）。计算结果显示，LCu(OAc)2同样因为醋酸根的碱性不足，相应的N−H键活化热力学上不利，致使后续步骤慢于LCu(OAc)OH作催化剂的情况（图2a,2b）。LCu(OH)2在烯烃胺铜化阶段表现出高于LCu(OAc)OH的活性，但本身更容易发生脱水形成LCuO，再被原位形成的HOAc酸化再生LCu(OAc)OH（图2c）。此外，LCu(OH)2催化产生的LCu(OH)OOR中间体由于所带的氢氧根碱性过强，在形成b1中间体时难以完成H2O到烷基过氧离子的质子转移再生对应的催化剂LCu(OH)2；LCu(OAc)OH催化产生的LCu(OAc)OOR中间体攫氢后得到酸性适宜的醋酸，可以顺利借由PCET过程完成催化剂再生并同时促进O−O键断裂构建羰基（图2d）。

图2. Cu(II)配合物抗衡离子的作用对比

上述对比研究显示异抗衡离子Cu(II)配合物LCu(OAc)OH作催化剂的优越性在于它兼具碱性较强的氢氧根和碱性较弱的醋酸根。氢氧根可以更好完成N−H键活化，而醋酸根可以在决速步中有效平衡攫氢和质子化这两个过程对酸碱性的不同需求。据此，该研究团队提出异抗衡离子Cu(II)配合物比常见的Cu(II)盐可能会表现出更丰富的反应性质以满足复杂反应对催化剂的多方面要求，在今后铜催化方法学研究中应该重视这类催化剂的制备和应用。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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