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在那个基于NHC三重态的CO2还原体系因活性物种稳定性问题而宣告放弃的一年后,Rita产生了新的想法。在前作中,CO2还原是借助自由基对CO2加成,形成RCOO·自由基并重排为ROCO·随后脱去CO来实现的,之所以没有考虑基态,是由于对于NCN型NHC,其与CO2的加和物中羧基与NHC环在基态下为平面构型,不利于发生进一步转化。而无意间,Rita发现,与NCN型卡宾不同,NCC型卡宾(形如1A)与CO2形成的加和物中,CO2与环平面垂直,并且与一个形式上电中性的氧杂环丙酮结构达成平衡,因此设想这个高张力的结构应当可以脱去CO;遗憾的是这个过程能垒很高。虽然这条路没能走通,却带来了启示:当亲核试剂对这个氧杂环丙酮1CO2_cyc开环形成9后,有可能可以消除一氧化碳(也就是发生了从CO2到NHC的形式上的OAT);更进一步的,如果将CO2扩展到一般的羰基化合物,则可以用于制备卡宾或卡宾等价物,从而带来了这篇工作。
从时间顺序上,Rita是首先检查了二氧化碳的转化,随后将{attr}3188{/attr}扩展到苯甲醛上。而在行文时则将两个反应的顺序颠倒了过来,先讲苯甲醛的反应。
苯甲醛和NHC的形式OAT
从2016年开始,人们就知道了稳定卡宾1B与烯烃和醛都能发生可逆的加成并生成三元环化合物2B。这一部分以两类NCC型卡宾,1A和1B出发进行研究。苯甲醛与1A1反应直接生成4A和单重态苯甲基卡宾热力学是高度不利的,因而这部分研究的是当膦存在下生成“卡宾等价物”(膦叶立德)的过程。2与膦开环后生成偶极离子中间体3,随后迅速消除膦叶立德生成4。对1B1的完整势能面如下:
其中括号内外分别为THF和MeCN中的结果。这个反应最明显的问题在于表观能垒高达26.1 kcal/mol,因此接下来的工作重心在于尽可能改进其反应活性。总体而言1B的反应活性高于1A,这一现象可通过后者在环氧开环过程中断裂的C-O键较低的反键轨道的能量加以解释。为了促进环氧开环,尝试了引入Li+或Mg2+,结果反而有害。
虽然这篇文章中失败的尝试只放了这么几个分子,工作进行过程中实则是在反复碰壁中度日的,手中有无数条改进的思路,设计出难以计数的分子,最终全部折戟,甚至都不值一写。数百个小时的试错最终整理起来也不过是这么一张图,属实有一种悲壮的感觉。
为了降低环氧开环步骤的能垒,最终采用了分子内策略。分子内策略还有一个好处:注意到中间体3,对分子间反应,随着C-C键旋转,它有可能形成四元环P-O中间体而消除Me3PO导致不希望的副反应,而分子内反应中这条副反应途径被堵死了。在这里设计出了3个带有分子内膦的NHC分子(1B2-1B4)。这部分反应要想成功进行,还必须能克服另一个副反应:分子内膦与NHC自身结合并与苯甲醛加成,随后经由膦氧中间体生成不希望的Wittig产物7。因此以下检查了这三个分子的相应势能面:
很不幸地,分子1B2的竞争性Wittig过程比希望的反应路径更快(对醛加成是决速步),而显然1B3中更短的侧链带来的桥环骨架的张力封堵住了不希望的副反应。1B4同样是预期的形式OAT反应比副反应更快,只不过表观能垒比1B3稍高。至此,通过这部分设计,我们得到了两个有望用于与醛发生形式OAT生成膦叶立德的候选分子。
CO2和NHC的形式OAT
NHC与二氧化碳形成双极离子和环形两种加和物的现象也早被人知。首先以化合物1A4为模型,以9的能量为指标(不用8是因为并非所有亲核试剂都存在对应的8)筛选了一系列亲核试剂,发现酚氧负离子,咪唑负离子和2,4-二羟基吡啶单负离子是比较有希望的。通过分子内氢键、金属离子来稳定9虽然有成效但并不显著,加上为了避免处理质子转移或溶剂合金属离子的麻烦,接下来只考虑非质子溶剂中的情形,并且不引入金属。
接下来照样使用分子内策略,这次以8的能量作为指标(上图数据的格式为气相/THF/乙腈),可以筛选掉大部分设计出来的分子,唯独1A7ea, 1A15, 1A16 表现较好(1A15少画了一个甲基,新版已修改),因此用于进一步研究。
与苯甲醛的反应类似,这部分也需要同时考虑两个resting state 11和12的存在,当它们能量足够低时,期望的反应就会被严重阻碍。好在对于上述三个分子,这些resting state都不成威胁(这是由于1A15和1A16要形成这几个resting state则必将形成四元环)。至于期望的路径,1A7ea显然能垒过高,而1A15的表观能垒为27.7 kcal/mol(THF溶剂),仍然无法被室温反应的目标所容许。
然而注意到1A15的表观能垒对溶剂化特别敏感。总体上这类反应的能垒随着溶剂极性增大都是上升的,这是由于溶剂化稳定了双极离子1CO2,而1A15参与的反应对溶剂的敏感程度则在众多检查的NHC中也是较高的。相比于THF中27.7 kcal/mol,气相下其能垒仅14.3 kcal/mol,而甲苯中则是21.8 kcal/mol。因此我们有理由推测,在低极性溶剂中,上述NHC促进的室温CO2转化是有希望的。而这一反应中NHC被转化为了脲,如果能串联一个酰胺还原系统,随后消除水分子,便能实现NHC的再生,催化CO2还原不是梦(虽然显然要将这些条件迥异的反应组合到一起是极为困难的)。
总结而言,在这篇工作中,Rita设计了一类NHC参与的形式OAT反应,使得能够将醛转化为磷叶立德,或是将CO2转化为CO。对Rita来说这不过是一个花一个月时间玩玩的小工作,不过也算是弥补了去年冬天三重态NHC止步于中间体稳定性问题的遗憾。
DOI: 10.26434/chemrxiv.13256831.v1
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