钯催化苯甲酰肼羰基化合成1,3,4-噁二唑-2-酮反应机理研究

摘要

噁二唑酮类化合物被广泛应用于农业中除草剂、杀虫剂的生产，在医药领域可以显著提高药物活性，在抗肿瘤、抗病毒等方面均表现卓越。因此，噁二唑酮的合成具有重要的理论和实际研究价值。本文采用密度泛函理论M06方法对钯催化苯甲酰肼羰基化合成1,3,4-噁二唑-2-酮的反应机理进行了系统的研究，主要的研究内容有： Ⅰ.简述了钯催化羰基化反应在实验和理论研究方面取得的进展，及近年来实验上合成1,3,4-噁二唑-2-酮的方法。 Ⅱ.简述研究反应机理时所运用到的相关基础理论知识，包括密度泛函理论、过渡态理论及计算软件的介绍。 Ⅲ.对钯催化苯甲酰肼的羰基化反应机理进行了详细的密度泛函理论研究。通过理论计算，该催化反应有两种可能的反应机理：机理A和机理B。 在机理A中，主要包含N1-H活化、N2-H活化、羰基插入、还原消除四个顺序步骤。首先在N1-H的活化步骤中，主要是CMD机理通过经典的六元环过渡态TS(1/2)-1完成。而在N2-H活化过程中，发现通过七元环过渡态TS(3/6)可以“一步反应”来活化N2-H键，极大地简化了反应的步骤，并且所需的能量仅为15.3kcal/mol。接下来的羰基插入中，存在两种可能的反应路径，即CO插入Pd-N键（路径A-Ⅰ）或CO插入Pd-O键（路径A-Ⅱ）；最后是还原消除步，路径A-Ⅰ和路径A-Ⅱ分别发生了C-O成键和C-N成键得到最终产物1,3,4-噁二唑-2-酮。计算结果表明路径A-Ⅰ优于路径A-Ⅱ，且乙腈作为配体时所需的活化能最低。 在机理B中，主要包括N1-H活化、羰基插入、N2-H活化、还原消除四个顺序步骤。与机理A的类似，N1-H活化采取CMD机理得到中间体3。接下来是羰基插入，根据CO插入的位置不同分为路径B-Ⅰ和路径B-Ⅱ分别得到5-1′和5-2′。在N2-H活化步骤中，通过直接活化得到中间体10-2和10-5，最后的还原消除得到产物1,3,4-噁二唑-2-酮。结果表明同样是CO插入Pd-N键（路径B-Ⅰ）的能垒较低，且乙腈作为配体时更为有利。 通过对比机理A与机理B的较优路径可以发现，路径B-Ⅰ为整个反应的最优路径。其中，羰基插入Pd-N键（4-1′→TS(4/5)-1′→5-1′）过程需要克服的能垒最高，为反应的决速步。 此外，我们还研究了配体效应和取代基效应对反应的影响。对配体效应的研究发现，乙腈在反应中起到了重要的作用，它不仅可以作为反应的溶剂，还可以作为配体活化Pd原子，从而显著的降低反应所需的活化能。在取代基效应中，通过计算包含不同取代基的反应底物在决速步中的中间体及过渡态的能量，结果证明本反应对含有不同取代基的底物具有普适性，与实验结论相同。

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