Mechanisms and Origins of Chemo- and Regioselectivities of Ru(II)-Catalyzed Decarboxylative C–H Alkenylation of Aryl Carboxylic Acids with Alkynes: A Computational Study

脱羧 化学 化学选择性 炔烃 区域选择性 芳基 废止 药物化学 立体化学 烷基 催化作用 有机化学
作者
Jinglu Yu,Shuo‐Qing Zhang,Xin Hong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (21): 7224-7243 被引量:156
标识
DOI:10.1021/jacs.7b00714
摘要

The mechanisms and chemo- and regioselectivities of Ru(II)-catalyzed decarboxylative C-H alkenylation of aryl carboxylic acids with alkynes were investigated with density functional theory (DFT) calculations. The catalytic cycle involves sequential carboxylate-directed C-H activation, alkyne insertion, decarboxylation and protonation. The facile tether-assisted decarboxylation step directs the intermediate toward the desired decarboxylative alkenylation, instead of typical annulation and double alkenylation pathways. The decarboxylation barrier is very sensitive to the tether length, and only the seven-membered ring intermediate can selectively undergo the designed decarboxylation, suggesting a tether-dependent chemoselectivity. This tether-dependent chemoselectivity also applies to the alkyl tethers. In addition, the polarity of solvent is found to control the chemoselectivity between the decarboxylative alkenylation and [4 + 2] annulation. Solvent with low polarity (toluene) favors the decarboxylation pathway, leading to the decarboxylative alkenylation. Solvent with high polarity (methanol) favors the ionic stepwise C-O reductive elimination pathway, leading to the [4 + 2] annulation. To understand the origins of regioselectivity with asymmetric alkynes, the distortion/interaction analysis was applied to the alkyne insertion transition states, and led to a predictive frontier molecular orbital model. The asymmetric alkynes selectively use the terminal with the larger HOMO orbital coefficient to form the C-C bond in the insertion step.
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