Catal. Sci. Technol.: 均相催化中不同催化活性组分形成的火山图关系，以BF3催化醛和胺的直接还原胺化反应为例
发布者：雷鸣发布时间：2022-11-27浏览次数：11
胺类化合物作为医药和农业工业中重要的一类有机中间体，被广泛应用于生物活性分子的功能化、药物合成及精细化学品的制备中。合成胺的常用方法包括了腈、酰胺和硝基化合物的还原，氨与有机卤化物的烷基化，醇和胺的借氢策略，烯烃和炔烃的氢胺化，直接还原胺化等方法。其中，羰基化合物与胺或其等价物直接还原胺化(DRA)反应是合成具有高附加值的胺化合物的通用且优雅的方法，也是制备伯胺最方便和优选的方法之一。因此，开发低成本高效的催化剂并选择合适的还原剂对于羰基衍生物的DRA反应非常重要。最近，北京化工大学计算化学研究所雷鸣课题组与生命学院谭天伟、张会丽课题组合作，在徐立进等报道的BF3-Et2O催化醛与胺的DRA反应的实验基础上(Green Chem. 2021, 23: 5205–5211)，从理论计算解释了BF3催化醛与胺的DRA反应的机理，并构建了反应中可能的催化活性组分BF3-X (X=PhNH2、H2O、HCOOH、MeOH) 在催化反应的火山图关系，提出了BF3-MeOH可能对该反应具有更好的催化活性，相关成果以全文发表在Catal. Sci. Technol.上(https://doi.org/10.1039/D2CY00967F)。
如图1所示，Lewis酸BF3可能与体系中多种Lewis碱如PhNH2、H2O、PhCHO、HCOOH、Et2O等结合，形成相应的Lewis酸碱对。这些Lewis酸碱对可以协助氢质子从胺底物转移到醛或酮底物的羰基以形成亚胺，并进一步催化甲酸还原亚胺形成胺产物。DFT计算表明，BF3在该反应中与碱性最强的苯胺结合形成BF3-PhNH2是最有利的，但BF3-H2O可能是该DRA反应中催化活性最好的催化组分(见图2和图3)。
图2. BF3-H2O催化的亚胺形成的自由能示意图。
图3. BF3-H2O催化的亚胺还原的自由能示意图。此外，基于上述计算研究结果，我们提出了BF3-MeOH催化剂可能具有更好的DRA催化活性，并总结了四种可能的催化物种催化亚胺形成过程中的C-N偶联、质子转移、C-O键裂断裂步骤的反应自由能垒(见图4)。MeOH、H2O与BF3的结合能力适中，表现出良好的接受和给出质子的能力，相应的三个基元反应步骤的反应能垒适中。碱性较强的苯胺与BF3的组合在C-N偶联和C-O键断裂中表现不佳，需要催化物种提供质子。弱碱性的甲酸与BF3的结合导致接受质子的质子转移步骤为反应的速控步。在亚胺的还原过程也有类似的结果(见图5)。这种现象类似于非均相催化反应中的火山图。即在均相催化中，预催化剂可以转化为各种可能的催化活性物种，真正的催化物种与其在反应中的热力学和动力学效应密切相关。预催化剂形成的最稳定的催化物种在反应中可能不具有最好的催化活性，真正的催化物种最有可能是那些具有中等稳定性和相对高的催化活性的催化物种。图4. 各种催化活性物种催化的亚胺形成中(a)三个基元反应的吉布斯自由能能垒，(b)结合能和能量跨度，及(c)吉布斯自由能示意图。
图5. 直接还原胺化DRA反应中不同催化活性物种形成的火山图。综上所述，本文采用DFT方法研究了甲酸作为氢源的醛和胺在三氟化硼络合物催化下形成亚胺和还原亚胺的反应机理。计算结果表明，BF3可以与反应体系中的各种Lewis碱形成Lewis酸碱对。它们都可以用作活性催化物种来催化亚胺的形成。亚胺的形成包括三个过程: C-N偶联、质子转移和C-O键断裂。不同Lewis酸碱对的催化活性具有火山图的分布关系。碱性最强的苯胺催化效果最差，中等结合能力的水催化效果最好，这归因于酸碱对与质子的可逆结合。基于上述结果，我们提出了BF3-MeOH作为酸碱对，可能具有较好的醛和胺的还原胺化反应的催化活性。该文的第一作者为计算化学所、软物质中心2021级硕士研究生李哲伟同学。此工作获得了国家自然科学基金面上基金项目的支持。
