钌催化氧杂双环烯烃异构化为1,2-萘氧化物：DFT理论揭示区域选择性的电子与空间效应机制

本研究通过密度泛函理论(DFT)系统解析了钌催化C1取代不对称氧杂苯并降冰片二烯(OBDs)异构化的三步骤催化循环（氧化加成、η1-η3烯丙基异构化、还原消除），发现氧化加成为决速步及区域选择性主控因素。电子效应主导产物分布：缺电子OBDs优先生成1,2-萘氧化物，富电子底物则倾向形成1-萘酚，为过渡金属催化杂环烯烃精准转化提供理论范式。

　　

在有机合成领域，金属催化杂环化合物的精准转化一直是攻克复杂分子构建的关键。氧杂苯并降冰片二烯(OBDs)作为重要合成子，其异构化反应可高效构建萘环骨架，但长期以来存在两大瓶颈：一是C1位取代的不对称OBDs反应时易产生区域异构体混合物，二是钌催化生成1,2-萘氧化物的机制尚未阐明。2006年Tam团队首次报道Cp*Ru(COD)Cl催化该反应，但电子效应与空间位阻对选择性的调控规律仍是未解之谜。

为破解这一难题，研究人员采用密度泛函理论(DFT)系统研究了钌催化OBDs异构化的全过程。通过SMD-M06-D3/Def2-TZVP//PCM-B3LYP-D3(BJ)/Def2-SVP多层级计算，结合自然键轨道(NBO)和本征键强度指数(IBSI)分析，揭示了催化循环的能垒特征与电子分布规律。研究特别关注了反应中间体的非共价相互作用(NCI)，并通过变形-相互作用分析量化了空间效应贡献。

Results and Discussion

1. 催化循环机制：明确三步骤路径——COD解离后OBD通过exo面配位形成CP1，经历22.6 kcal/mol能垒的C?O键氧化加成生成σ-烯丙基钌(IV)中间体INT2，随后异构化为更稳定的π-烯丙基钌(IV)物种INT3（能差9.6 kcal/mol），最终经11.1 kcal/mol能垒的还原消除得到产物。芳香化驱动力（ΔΔG=?15.7 kcal/mol）是反应主要推动力。

2. 区域选择性起源：

• 电子效应：在C1-酯基取代OBD-E中，NBO分析显示钌优先插入与Cl配体syn位的富电子C?O键（能垒差2.5 kcal/mol），静电势(ESP)证实COOMe与Cl的库仑排斥作用。
• 空间效应：C1-甲基取代OBD-M通过NCI分析发现Cp*与甲基的范德华作用主导选择性，H键作用使TS9_b-10_b能垒比竞争路径低4.9 kcal/mol。
• 远端取代影响：芳基取代OBD-Ar因C?O键电子密度相近导致选择性降低（预测35:65 vs 实验44:56）。

1. 底物拓展预测：

• 强吸电子基（如CF₃）保持高选择性（100:0），而大位阻叔丁基通过C-H···Cl作用反转选择性（99:1）。
• 异丙基体现电子与空间效应博弈，预测20:80区域比。

Conclusion
该研究首次从原子尺度阐明钌催化OBDs异构化的电子-空间双重调控机制：电子效应通常主导选择性地插入富电子C?O键，但大位阻取代基可通过非共价作用逆转路径。提出的IBSI指标与NCI分析方法为预测类似反应区域选择性提供普适工具，对设计高选择性金属催化剂具有重要指导意义。成果发表于《European Journal of Organic Chemistry》，为杂环化合物的精准功能化提供了理论基石。