Chem. Eur. J. :理论计算揭示静电和极化效应在Te阳离子硫键催化溴化反应中的重要性

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硫键催化溴化反应中静电和极化效应与催化效果相关示意图

最近,河北师范大学曾艳丽教授、陈文恺博士从理论计算的角度出发,报道了通过调控硫键催化剂上取代基提高硫键催化溴化反应活性的新策略,揭示了该调控策略中硫键中的静电和极化作用对于降低反应能垒的协同正向作用,建立了系列Te阳离子催化剂与催化效果的构-效关系。


由于硫键具有优异的催化性能,并且具有绿色高效、低成本、可回收等优点,探索硫键催化剂结构与催化性能之间的构-效关系具有重要的意义。近年来,含碲(Te)阳离子的硫键催化剂在有机反应中引起了广泛的关注。溴化反应作为一种重要的基准反应,在本工作中用于验证硫键催化剂的催化效果,并建立催化构-效关系。

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图1 四种硫键供体催化剂分子结构图

该工作采用密度泛函理论(DFT)研究了硫键催化苯甲醚与N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)的溴化反应。本工作不仅对已有的三种Te阳离子ChB催化剂(Cat-1: Te(C6H5)2Me+, Cat-2: Te[C6H3(CF3)2]2Me+, Cat-3: Te(C6F5)2Me+)的催化机理和催化性能进行了阐述和比较,还对比了的一种新设计ChB催化剂(Cat-4:Te[C6F3(NO2)2]2Me+),拓展了设计新型催化剂的思路(图1)。溴化反应分为两个步骤:溴转移和质子转移。计算结果表明,溴转移是该反应的决速步(图2)。

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图2 催化剂3和4反应路径的能垒图

广义Kohn-Sham能量分解分析(GKS-EDA)结果表明,随着催化剂上取代基的吸电子能力增强,硫键作用中总的相互自由能、静电项和极化项的值显著增加,且与反应能垒呈线性关系(图3),其微观本质是吸电子基团增加了催化剂与NBS之间硫键作用的静电项和极化项。并且,催化剂与NBS之间的硫键作用越强,催化性能越好。本文中的MFDD,QTAIM等性质分析也支持了上述观点。

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图3 (a)总的相互自由能(ΔGTOT)与能垒的相关图;(b)静电项(ΔGele)与能垒的相关图;(c)极化项(ΔGpol)与能垒的相关图;(b)静电项与极化项之和(ΔGele+pol)与能垒的相关图

本工作将有助于设计出更有活性的催化剂,对于Te阳离子硫键催化领域研究具有重要意义。

文信息

Chalcogen Bond Catalysis with Telluronium Cations for Bromination Reaction: Importance of Electrostatic and Polarization Effects

Yanjiang Wang Chang Zhao, Wen-Kai Chen*, Yanli Zeng*


Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202302749

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