通过烯烃辅助作用，深入了解钯催化的氧化碳环化-硼化反应在烯醛类化合物中的机理及选择性

《Computational and Theoretical Chemistry》：Insights into mechanism and selectivity in palladium-catalyzed oxidative carbocyclization-borylation of enallenes via olefin assistance

基于密度泛函理论计算，系统研究了Pd催化氧化环化-硼联反应的机理，揭示其催化循环包含C-sp3-H键活化、烯烃插入、转金属化和还原消除四个关键步骤。比较不同C-C偶联路径表明，远程烯烃插入路径更受动力学和热力学驱动，导致spiro环化产物生成优势，并成功通过DFT验证实验结果。

　　本研究通过系统的理论分析，借助密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了钯催化氧化碳环化-硼化反应的机理，特别是针对烯丙基烯（enallenes）的反应路径。该反应在有机合成中具有重要意义，因为它能够构建复杂的碳环结构，为合成天然产物和其他多环化合物提供了有效的策略。然而，以往的实验研究中，部分反应路径并未按照预期形成产物，例如预期的螺环结构产物未被观察到，而形成了环己烯类产物。因此，理解该反应的具体机制对于提高反应的选择性和效率至关重要。

钯催化氧化碳环化-硼化反应通常涉及多个关键步骤，包括碳-氢键活化、烯烃插入、转金属化和还原消除。这些步骤构成了一个完整的催化循环，使得反应能够在温和条件下高效进行。其中，碳-氢键活化是反应的起始阶段，通常通过钯的配位作用实现。在本研究中，该过程通过协同金属化-脱质子化路径完成，生成一个乙烯基钯中间体。该中间体的形成对于后续的反应路径至关重要，因为它为后续的烯烃插入提供了活性中心。

烯烃插入是反应过程中另一个关键步骤，其选择性决定了最终产物的结构。根据本研究的分析，靠近钯中心的烯烃插入通常会导致螺环结构的形成，而远离钯中心的烯烃插入则倾向于生成环己烯类产物。值得注意的是，后者不仅在动力学上更为有利，而且在热力学上也表现出更高的稳定性。这表明，烯烃的相对位置在反应过程中起到了决定性的作用，影响了反应的路径和产物的形成。此外，反应中涉及的配体交换过程也对产物的选择性产生了重要影响，通过改变配体的配位方式，能够有效调控反应的方向。

转金属化步骤是催化循环中的另一重要环节，通常涉及不同金属中心之间的电子转移。在本研究中，该步骤通过两种不同的路径进行，分别涉及四元环和六元环过渡态。这两种路径的选择取决于亲核试剂中氧原子的攻击方式，进而影响了反应的进行效率和产物的形成。这一发现为理解钯催化反应中转金属化过程的多样性提供了新的视角，并揭示了反应路径中可能存在的多种可能性。

还原消除是催化循环的最终阶段，通常需要氧化剂的参与以完成反应并再生催化剂。在本研究中，苯醌（p-benzoquinone）被用作氧化剂，能够有效促进还原消除反应的进行，从而完成整个催化循环。这一过程不仅需要催化剂的活性，还受到反应条件的影响，例如温度、溶剂和氧化剂的浓度等。通过调控这些条件，可以进一步优化反应的效率和选择性。

本研究通过DFT计算，对上述四个关键步骤进行了详细的分析，并提出了一个合理的反应机制。该机制不仅解释了实验中观察到的产物形成，还揭示了反应过程中各个步骤之间的相互作用和影响。通过比较不同的碳-碳偶联路径，进一步验证了所提出的机制的合理性。此外，研究还强调了烯烃在反应中的辅助作用，即靠近钯中心的烯烃不仅促进了碳-氢键的活化，还在后续的反应步骤中起到了关键的配体交换作用。

在实验研究中，虽然已经观察到了多种产物，但其形成的具体机制仍然存在一定的不确定性。本研究通过理论计算的方法，填补了这一空白，为后续的实验研究提供了重要的指导。通过揭示反应路径中的关键步骤和中间体，研究人员能够更准确地预测反应的产物，并优化反应条件以提高目标产物的产率。此外，本研究还为设计新的钯催化反应提供了理论依据，特别是在调控反应选择性和效率方面。

本研究的理论分析表明，钯催化氧化碳环化-硼化反应的机制具有一定的复杂性，涉及多个步骤和中间体。其中，碳-氢键的活化是反应的起始点，而烯烃的插入则决定了产物的结构。转金属化和还原消除步骤则进一步推动了反应的进行，并完成了催化剂的再生。这些步骤的协同作用使得反应能够在温和条件下高效进行，同时保持较高的选择性。

通过比较不同的反应路径，本研究发现，远程烯烃插入路径在动力学和热力学上都更具优势，能够更有效地生成环己烯类产物。这一发现对于理解反应的偏好性具有重要意义，并为后续的反应设计提供了新的思路。此外，研究还指出，钯催化剂在反应过程中需要与不同的配体相互作用，以实现有效的催化活性。这种配体的动态变化不仅影响了反应的进行，还对产物的选择性产生了重要影响。

本研究的结论表明，钯催化氧化碳环化-硼化反应的机制需要进一步深入研究，特别是在反应路径的选择性和催化剂的再生过程中。通过理论计算的方法，研究人员能够更全面地理解反应的各个步骤，并为实验研究提供重要的理论支持。此外，本研究还强调了反应条件的重要性，包括溶剂、温度和氧化剂的选择，这些因素在实际应用中需要被仔细考虑。

在实际应用中，钯催化氧化碳环化-硼化反应具有广泛的应用前景，特别是在药物合成和材料科学领域。通过优化反应条件和催化剂的设计，可以进一步提高反应的效率和选择性，从而生成更多具有应用价值的产物。此外，本研究的结果也为其他类型的金属催化反应提供了借鉴，特别是在涉及碳-氢键活化和烯烃插入的反应中。

总之，本研究通过系统的理论分析，揭示了钯催化氧化碳环化-硼化反应的具体机制，并强调了反应过程中各个步骤的重要性。通过深入理解这些步骤，研究人员能够更有效地设计和优化反应条件，提高反应的效率和选择性。这一研究不仅对有机合成领域具有重要意义，也为其他类型的金属催化反应提供了理论支持和实践指导。