吳曉靜, 夏樹偉??, 于良民, 陳國博(中國海洋大學(xué)1.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室; 2.化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100)

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鄰苯二酚烷基化反應(yīng)機理的密度泛函研究?

吳曉靜1,2, 夏樹偉1,2??, 于良民1,2, 陳國博1,2
(中國海洋大學(xué)1.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室; 2.化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100)

采用密度泛函理論(DFT)B3LYP方法，在6-311G(d,p)基組下研究鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺的烷基化反應(yīng)機理，對反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)全優(yōu)化和確認(rèn)，通過HOMO軌道百分組成預(yù)測芳環(huán)上的反應(yīng)活性位點。結(jié)果表明：鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺烷基化反應(yīng)機理分四步，活化能分別是61.07、39.69、44.31和31.51J/mol。一取代反應(yīng)勢壘為61.07kJ/mol；二取代反應(yīng)勢壘為44.31kJ/mol。表明二取代反應(yīng)較一取代更容易發(fā)生。另外，一取代產(chǎn)物芳環(huán)上活性位點碳原子所帶負(fù)電荷(-0.806)高于反應(yīng)物鄰苯二酚芳環(huán)上的碳原子(-0.124)，有利于親電試劑進(jìn)攻，說明反應(yīng)更易發(fā)生二取代，這與實驗結(jié)果一致。

鄰苯二酚；反應(yīng)機理；Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)；密度泛函研究

從辣椒、胡椒等辛辣植物中提取的辣素具有驅(qū)蟲、抗菌、防污、抗腫瘤和鎮(zhèn)痛消炎等作用，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、輕工等方面[1-3]。然而從植物中提取辣素產(chǎn)量低、成本高，不能滿足社會需要。人工合成廉價易得的辣素及其類似物，可用于抗菌防污等[4-7]。

鄰苯二酚和N-羥甲基丙烯酰胺經(jīng)烷基化反應(yīng)，生成辣素類似物N-(3、4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺，反應(yīng)式如圖1所示。實驗中發(fā)現(xiàn)，在較佳反應(yīng)條件下，改變初始反應(yīng)物配比分別為1∶1、5∶1、10∶1時，該反應(yīng)均只得到二取代產(chǎn)物，而沒有單取代產(chǎn)物生成。

圖1 鄰苯二酚和N-羥甲基丙烯酰胺反應(yīng)式
Fig.1 Reaction of pyrocatechol and N-methylolacrylamide

鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺的反應(yīng)為芳香族親電取代反應(yīng)，人們對芳香族親電反應(yīng)機理進(jìn)行了實驗和理論研究[8-11]。齊國鵬[12-13]、孫學(xué)文[14]等研究了催化苯衍生物與烯烴的親電取代反應(yīng)，利用同位素取代示蹤法推導(dǎo)了反應(yīng)機理，認(rèn)為親電試劑對芳環(huán)上富電子活性位進(jìn)攻，經(jīng)過一個正離子中間體，生成烷基化產(chǎn)物。Namba等[15-18]研究了苯酚與醇類的烷基化反應(yīng)，苯酚易產(chǎn)生穩(wěn)定的苯氧負(fù)離子，在弱酸或堿性條件下易發(fā)生O-烷基化，較強酸可與苯氧負(fù)離子相互作用，有效抑制O-烷基化，反應(yīng)活性與催化劑酸性正相關(guān)。徐亞榮等[19]采用從頭算方法研究了不同的甲基取代的噻吩衍生物的烷基化反應(yīng)機理，認(rèn)為是分步的正離子中間體機理。聶小娃等[20-22]采用DFT方研究法了分子篩及離子液體酸催化芳香化合物和醇的烷基化反應(yīng)機理，包括生成烷基化中間體和中間體去質(zhì)子化兩個過程。然而，這些關(guān)于芳香族烷基化反應(yīng)機理的研究均只針對單取代反應(yīng)進(jìn)行的，且對脫質(zhì)子過程的描述模糊不清。本文從靜態(tài)和動態(tài)兩方面研究了鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺的反應(yīng)機理，獲得了過渡態(tài)、中間體的分子結(jié)構(gòu)、活化能、反應(yīng)途徑及電子結(jié)構(gòu)等參量，發(fā)現(xiàn)水分子協(xié)助脫除質(zhì)子，并合理地解釋了該反應(yīng)二取代優(yōu)于單取代的實驗現(xiàn)象。

1 計算模型和方法

用密度泛函理論，在B3LYP/6-311G(d,p)下對所有的反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行全優(yōu)化，并進(jìn)行頻率分析確認(rèn)。用STQN/QST3方法尋找反應(yīng)過程中的過渡態(tài)，并對過渡態(tài)進(jìn)行內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)解析，確定過渡態(tài)的正確性。在同一理論水平上計算其能量，并進(jìn)行零點能校正。對反應(yīng)中涉及的所有分子結(jié)構(gòu)模型，均在氣相優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用IEFPCM極性溶劑模型來模擬乙醇溶劑環(huán)境。所有計算由Gaussian09完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)活性位點

芳香親電反應(yīng)具有明顯的區(qū)域選擇性，親電試劑優(yōu)先進(jìn)攻電子豐富的芳環(huán)位點。付蓉[23]對芳香親電取代反應(yīng)的活性位點進(jìn)行預(yù)測，比較了14種預(yù)測方法的可靠性，其中HOMO軌道成分能夠較好地預(yù)測雙取代苯體系的活性位點。本文分析的HOMO成分是基于自然鍵軌道(NBO)的方法，鄰苯二酚、一取代物P1及產(chǎn)物A的HOMO軌道組成如表1所示。

表1 各構(gòu)型的HOMO軌道組成

Table 1 Atomic orbitals contribution to some frontier HOMO /%

由表1數(shù)據(jù)可知，鄰苯二酚、一取代物P1及產(chǎn)物A的HOMO軌道主要分布在苯環(huán)碳原子及酚羥基氧原子上。由于酚羥基氧原子的非鍵pz軌道與苯環(huán)的π成鍵軌道之間存在共振作用，使酚羥基氧原子上具有較高的電子密度，HOMO軌道的18.67%，易發(fā)生O-烷基化反應(yīng)。本實驗的強酸條件能夠較好的抑制O-烷基化，主要反應(yīng)為C-烷基化。鄰苯二酚中C(4)、C(5) HOMO軌道百分組成為13.44%，高于C(3)、C(6)的2.04%，是該反應(yīng)條件下最可能的反應(yīng)位點。對鄰苯二酚的一取代物P1，可能的位點中C(5)位對HOMO軌道的貢獻(xiàn)最大，是最可能發(fā)生再次取代的位置。反應(yīng)活性預(yù)測結(jié)果與最終產(chǎn)物一致。在親電取代反應(yīng)中，通過前線軌道計算反應(yīng)活性位點，可以簡單預(yù)測可能的反應(yīng)產(chǎn)物。

2.2 前線分子軌道能級

單取代反應(yīng)過程中鄰苯二酚、[CH2NHCOCHCH2]+、一取代產(chǎn)物P1的前線分子軌道能級見表2，親電試劑[CH2NHCOCHCH2]+的LUMO軌道與鄰苯二酚HOMO軌道能級差為1.739eV，與P1的HOMO軌道能級差為1.614eV，可見[CH2NHCOCHCH2]+與P1的前線軌道能級更接近，因此兩者之間更易發(fā)生反應(yīng)。

表2 幾種分子的前線分子軌道能級Table 2 Frontier molecular orbital energy levels /eV

2.3 反應(yīng)途徑

在強酸催化下，鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺發(fā)生烷基化反應(yīng)，在該條件下應(yīng)為正離子機理，反應(yīng)途徑如圖2所示。

N-羥甲基丙烯酰胺端位羥基氧原子上的孤對電子和硫酸的氫離子相互作用誘導(dǎo)C—O鍵異裂，形成碳正離子。碳正離子作為親電試劑，進(jìn)攻鄰苯二酚π體系，經(jīng)過渡態(tài)TS1，形成中間體M1。隨著C—C鍵的形成苯環(huán)C原子由sp2→sp3，中間體M1的H與H2O中的O鍵合，經(jīng)過渡態(tài)TS2，H以H3O+形成脫離，體系恢復(fù)芳香性，形成一烷基化產(chǎn)物P1。二取代過程與單取代類似，此時一取代產(chǎn)物P1為反應(yīng)物，其負(fù)電性C原子被親電試劑進(jìn)攻，形成中間體M2。M2脫去質(zhì)子生成產(chǎn)物P2，即最終產(chǎn)物(A)。親電進(jìn)攻(1)、(3)是速控步，脫質(zhì)子(2)、(4)形成芳香性產(chǎn)物，為放熱過程，是整個反應(yīng)的驅(qū)動力[24]。

圖2 鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺反應(yīng)途徑示意圖Fig.2 Reaction path of alkylation of pyrocatechol with N-methylolacrylamide

2.4 反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)、產(chǎn)物的優(yōu)化構(gòu)型

對反應(yīng)過程中的所有反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)圖見圖3。

鄰苯二酚和N-羥甲基丙烯酰胺的烷基化屬于芳香族親電取代反應(yīng)，[CH2NHCOCHCH2]+正離子為親電試劑，進(jìn)攻苯環(huán)上C原子。雖受鄰、對位活化基團酚羥基的影響，鄰苯二酚中苯環(huán)碳原子間鍵長差異不大，芳環(huán)共軛性較好。鄰苯二酚中C(3)、C(4)、C(5)、C(6)均帶負(fù)電荷，對位C(4)(或C(5))所帶負(fù)電荷略高(-0.124)，且位阻較小，親電試劑優(yōu)先進(jìn)攻。隨著親電試劑端位碳原子C(9)與鄰苯二酚C(4)的逐漸接近，經(jīng)過渡態(tài)TS1形成中間體M1。過渡態(tài)TS1中C(4)-C(9)距離為2.115?，此時C(4)-H(7)中的H(7)原子略翹起，與芳環(huán)平面的夾角為12.296°。中間體M1中C(4)-C(9)(1.591?)單鍵形成。C(3)-C(4)、C(4)-C(5)鍵則逐漸伸長，分別由反應(yīng)物的1.397?、1.390?→過渡態(tài)TS1的1.423?、1.421?→中間體M1的1.478?、1.474?，可見C(3)-C(4)、C(4)-C(5)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱捂I。C(2)-C(3)、C(5)-C(6)鍵逐漸縮短，由反應(yīng)物的1.397?、1.397?縮短至M1的1.358?、1.352?。鄰苯二酚中的C(4)由sp2雜化變?yōu)閟p3雜化，芳環(huán)的共軛性被破壞，H(7)逐漸偏離芳環(huán)分子平面，與芳環(huán)的夾角逐漸增大，由0.0°→12.296°→56.518°。

圖3 反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Optimized structure of reactants, products and transition states

脫質(zhì)子過程中，H2O分子(水是哪來的？乙醇不能幫助脫質(zhì)子嗎)以O(shè)原子端與中間體M1的H(7)逐漸接近，形成過渡態(tài)TS2，在水分子作用下H(7)逐漸脫離，生成一烷基化產(chǎn)物P1。過渡態(tài)TS2中，H(7)與芳環(huán)平面的夾角為92.25°幾乎垂直于芳環(huán)，O(16)-H(7)距離為1.310?，較水分子的O—H鍵(0.970?)長；C(4)-H(7)鍵由中間體M1的1.103?伸長至過渡態(tài)TS2的1.360?，然后H3O+逐漸脫離至C(4)-H(7)鍵完全斷裂，生成P1。H3O+為三角錐形，具有C3V對稱性，O—H鍵長0.978?，鍵角110.716°。由TS2至P1，C(4)-C(9)鍵縮短，由1.591?變?yōu)?.536?；芳環(huán)的C(3)-C(4)、C(4)-C(5)鍵也縮短，分別由1.437?、1.426?至1.401?、1.393?；C(2)-C(3)、C(5)-C(6)鍵則伸長，分別由1.375?、1.379?→1.390?、1.397??？梢姰a(chǎn)物P1中苯環(huán)中C—C鍵長的差異不大，恢復(fù)共軛性。

親電取代反應(yīng)中，親電試劑優(yōu)先進(jìn)攻帶負(fù)電荷較多的原子。單取代完成后，反應(yīng)體系中同時存在鄰苯二酚與一烷基化產(chǎn)物P1。由表1可知，P1中C(5)凈電荷為-0.806，較C(3)(-0.067)、C(6)(0.050)占明顯優(yōu)勢，也比鄰苯二酚中C(4)或C(5)(-0.124)的電荷密度高很多，此時親電試劑更易選擇進(jìn)攻單取代產(chǎn)物P1的C(5)位，形成二取代產(chǎn)物，而不是選擇鄰苯二酚中C(4)、C(5)，生成單取代產(chǎn)物。二取代的C(5)-C(19)鍵形成過程與一取代類似。鄰苯二酚被二取代后，C(3)(-0.084)與C(6)(-0.082)的凈電荷低于鄰苯二酚中C(4)、C(5)的靜電荷，且其空間位阻較大，難以繼續(xù)發(fā)生親電取代。

2.5 反應(yīng)勢壘

圖4(a)、4(b)分別為一取代、二取代反應(yīng)過程勢能變化，分別以兩個過程的反應(yīng)物為勢能零點。一烷基化反應(yīng)過程中R1經(jīng)過渡態(tài)TS1至中間體M1，是吸熱反應(yīng)，活化能為61.07kJ/mol。中間體M1經(jīng)過渡態(tài)TS2脫去質(zhì)子，生成一烷基化物P1，活化能為39.69kJ/mol。一取代反應(yīng)體系共放熱35.41kJ/mol。二取代過程R2由過渡態(tài)TS3至中間體M2，活化能為44.31kJ/mol，中間體M2經(jīng)過渡態(tài)TS4脫去質(zhì)子，生成最終產(chǎn)物N-(3、4-二羥基-6-丙烯酰胺甲基芐基)丙烯酰胺，活化能為31.51kJ/mol。二取代過程體系共放熱74.04kJ/mol。比較一取代、二取代反應(yīng)過程勢能變化可以看出，二取代活化能為44.31kJ/mol較一取代活化能61.07kJ/mol低16.76kJ/mol，且二取代釋放的總能量更多，因此親電試劑更易與P1反應(yīng)，生成二取代產(chǎn)物。

圖4 鄰苯二酚與[CH2NHCOCHCH2]+烷基化反應(yīng)勢能變化Fig.4 Potential energy profiles of alkylation of pyrocatechol with [CH2NHCOCHCH2]+ positive ion

綜上，從熱力學(xué)角度和靜態(tài)原子電荷布居兩方面的分析可知，二元苯酚和N-羥甲基丙烯酰胺的烷基化反應(yīng)，以二烷基化為優(yōu)勢產(chǎn)物，與實驗過程中只制得二取代產(chǎn)物一致。

3 結(jié)語

通過密度泛函計算，分析了鄰苯二酚與N-羥甲基丙烯酰胺反應(yīng)歷程中過渡態(tài)、中間體的分子結(jié)構(gòu)、活化能、前線軌道組成、反應(yīng)途徑及原子電荷等。從靜態(tài)角度分析分子的電子結(jié)構(gòu)表明，一取代產(chǎn)物芳環(huán)上碳原子C(5)為優(yōu)勢活性位點，且電荷密度高，有利于親電試劑進(jìn)攻，繼續(xù)進(jìn)行二取代反應(yīng)；從熱力學(xué)角度分析，二取代活化能低于一取代活化能，且二取代反應(yīng)體系釋放的總能量大于一取代反應(yīng)的兩倍，因此反應(yīng)不是終止于一取代產(chǎn)物，更傾向于發(fā)生二取代反應(yīng)。從動態(tài)和靜態(tài)兩方面均能夠合理地解釋了實驗現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)水分子在脫質(zhì)子反應(yīng)過程中起重要作用。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

DFT Study of Pyrocatechol Alykation Reaction Mechanics

WU Xiao-Jing1,2, XIA Shu-Wei1,2, YU Liang-Min1,2, CHEN Guo-Bo1,2

(Ocean University of China, 1. The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education; 2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Qingdao 266100, China)

When capsaicin derivatives were synthesized from the alykation reaction of Binary phenol and N-methylolacryamide, as the ratio of Pyrocatechol to N-methylolacryamide changed, it was found that products were only dialkylation. The structures of reactants, transition states, intermediates and products were optimized by using DFT B3LYP/6-311G(d, p). The frequency, energies and charges were also analyzed. The calculated results show that the reaction includes four steps. The activation energies (Ea) of the four steps are 61.07 kJ/mol、39.69 kJ/mol、44.31 kJ/mol and 31.51 kJ/mol respectively. The whole reaction is exothermic except that the electrophilic attack step is endothermic. The reaction energy barrier of the dialkyl reaction is 44.31 kJ/mol, lower than 61.07 kJ/mol of monoalkyl reaction. In addition, the Mulliken charge datas show that the mulliken charge of the active atom increases after the pyrocatechol being substituted. As a result it is easier to be attacked by the positive ion.

pyrocatechol; reaction Mechanism; friedel-crafts alykation; density functional theory

國家自然科學(xué)基金項目(20677053)資助

2014-06-05；

2014-08-19

吳曉靜(1989-)，女，碩士生。E-mail：798696227@qq.com

?? 通訊作者： E-mail： shuweixia@ouc.edu.cn

O643.12

A

1672-5174(2015)08-071-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20140190