关于可变价态模型中多羰基化反应的密度泛函理论（DFT）研究

《Journal of Catalysis》：DFT study on multi-carbonylation in a valence-switchable model

本研究提出过渡金属催化开关式羰基化模型，通过调控卤代烷氧化性实现单/二羰基化产物选择性生成。机理表明低氧化态金属中心（Cu(I)）优先与CO配位并插入，弱氧化性卤代烷（如溴代烷）促进XAT过程形成二羰基产物，而强氧化性卤代烷（如碘代烷）则优先氧化金属中心，抑制CO插入，导致单羰基化产物。DFT计算验证了反应路径及选择性机制。

　　该研究探讨了一种过渡金属催化的可切换羰基化模型，旨在实现对羰基化反应的选择性控制。通过铜(I)催化的单羰基化和双羰基化反应，验证了这一模型的有效性。研究揭示了金属中心的氧化态在可切换羰基化反应中的关键作用，并进一步探讨了如何通过调控氧化剂的氧化能力来实现反应路径的切换。这种模型不仅有助于理解现有反应机制，还为设计新型可调控羰基化催化系统提供了理论依据。

过渡金属催化的羰基化反应是有机合成中一种重要的方法，尤其在构建含羰基化合物及其衍生物方面具有广泛的应用价值。二氧化碳（CO）作为一种丰富的C1碳源，因其低成本、易获取以及高经济效率而受到广泛关注。近年来，随着对这类反应的理解不断加深，其在合成领域的应用也取得了显著进展。CO在反应中通常被视作一种类似于烯烃的化合物，在插入过程中能够实现羰基官能团的引入。具体而言，CO首先与金属中心配位，形成金属-羰基配合物，然后通过CO插入反应进一步生成相应的羰基化合物。然而，金属中心的氧化态对这一过程具有重要影响。低氧化态的金属中心更容易与CO配位，从而促进其插入，而高氧化态的金属中心则表现出电子缺乏的特性，导致与CO的配位能力下降，从而阻碍插入反应的发生。

在实验中，研究者发现，当使用弱氧化剂（如烷基溴化物）时，CO能够有效地与铜(I)金属中心配位，并进一步插入形成铜(I)-酰基中间体。随后，通过卤素原子转移（XAT）反应，该中间体与烷基溴化物反应生成铜(II)-酰基中间体。释放出的烷基自由基可以与额外的CO发生反应，生成酰基自由基，并与铜(II)中间体结合，最终形成铜(III)-二酰基物种。随后，通过还原消除反应生成最终的双羰基化产物。相比之下，当使用强氧化剂（如烷基碘化物）时，铜(I)金属中心会被优先氧化为铜(II)活性物种，这会阻碍CO的插入反应。此时，生成的烷基自由基可以与CO发生自由基加成反应，生成酰基自由基，并与铜(II)物种结合形成铜(III)中间体。最终，通过还原消除反应生成单羰基化产物，并再生铜(I)活性物种。这一机制分析表明，反应路径的选择主要取决于卤素原子转移和CO插入之间的竞争关系，而这种平衡可以通过调控卤素原子的氧化能力来实现。

为了验证这一假设，研究者选择了Wu及其团队报道的铜催化选择性羰基化反应作为模型反应。在标准反应条件下，当使用烷基溴化物时，可以得到双羰基化产物，而使用烷基碘化物时，则可以得到单羰基化产物。这一现象表明，卤素原子的氧化能力在推动可切换羰基化反应中起着至关重要的作用。研究还通过密度泛函理论（DFT）计算，进一步阐明了反应的详细机制以及选择性的来源，以确认所提出的可切换羰基化模型的合理性。这些计算结果不仅有助于理解现有反应机制，还为设计可调控的羰基化催化系统提供了重要的理论指导。

在反应过程中，铜(I)金属中心与CO的配位以及卤素原子转移反应之间的竞争关系是关键。当使用弱氧化剂时，CO更容易与铜(I)金属中心配位，并通过插入反应形成中间体。这一过程的自由能变化表明，弱氧化剂的使用能够促进CO的插入，从而有利于双羰基化产物的生成。而当使用强氧化剂时，铜(I)金属中心会被优先氧化，这会削弱其与CO的配位能力，从而阻碍插入反应的发生。此时，卤素原子转移反应主导了反应路径，生成单羰基化产物。因此，卤素原子的氧化能力成为调控反应路径的关键因素。

为了进一步验证这一结论，研究者通过DFT计算分析了不同反应条件下的自由能变化。计算结果显示，铜(I)-碳酸盐作为相对零点，其与胺的反离子交换反应是一个吸热过程，由于胺的弱酸性，该反应的自由能变化为14.9?kcal/mol。而CO的插入反应则通过过渡态进行，其总体活化自由能变化表明，CO的插入过程在特定条件下具有较高的可行性。此外，卤素原子转移反应的自由能变化也显示出其在反应中的关键作用。当使用弱氧化剂时，卤素原子转移反应的自由能变化较低，从而促进了双羰基化产物的生成；而当使用强氧化剂时，卤素原子转移反应的自由能变化较高，导致反应路径向单羰基化方向偏移。

这些计算结果不仅揭示了反应的机理，还进一步阐明了选择性的来源。通过分析不同氧化剂对反应路径的影响，研究者发现，氧化剂的氧化能力决定了反应中哪个过程更具优势。弱氧化剂的使用能够促进CO的插入，从而有利于双羰基化产物的生成；而强氧化剂的使用则会导致铜(I)金属中心被优先氧化，从而阻碍CO的插入，使反应倾向于生成单羰基化产物。这种选择性的调控机制为设计新型可调控的羰基化催化系统提供了理论依据。

在实际应用中，这种可切换羰基化模型可以用于合成多种含羰基化合物，特别是那些需要选择性地引入一个或两个羰基基团的化合物。通过调控反应条件，如氧化剂的种类和浓度，以及金属中心的氧化态，可以实现对反应路径的精确控制。这一研究不仅拓展了过渡金属催化的应用范围，还为有机合成提供了新的思路和方法。

此外，该研究还探讨了不同金属中心在反应中的作用。低氧化态的金属中心（如铜(I)）能够更有效地与CO配位，并促进其插入反应，从而生成相应的酰基中间体。而高氧化态的金属中心（如铜(II)）则表现出电子缺乏的特性，导致与CO的配位能力下降，从而阻碍插入反应的发生。因此，金属中心的氧化态成为影响反应路径的重要因素。通过调控金属中心的氧化态，可以实现对反应的选择性控制，从而获得所需的产物。

研究还通过实验验证了这些理论假设。在实际反应中，使用不同的卤素原子（如溴和碘）能够显著影响产物的类型。当使用烷基溴化物时，可以得到双羰基化产物，而使用烷基碘化物时，则可以得到单羰基化产物。这一现象表明，卤素原子的氧化能力在反应中起着至关重要的作用。通过实验进一步验证了理论模型的合理性，并展示了其在实际应用中的潜力。

综上所述，该研究开发了一种基于过渡金属催化的可切换羰基化模型，用于在多组分耦合反应中实现对羰基化反应的选择性控制。该模型通过分析金属中心的氧化态以及卤素原子的氧化能力，揭示了反应路径的调控机制。研究不仅为理解现有反应提供了新的视角，还为设计新型可调控的羰基化催化系统提供了理论依据。这些成果有望在有机合成领域产生深远影响，并推动相关技术的发展。