Mechanism of an Organocatalytic Cope Rearrangement Involving Iminium Intermediates: Elucidating the Role of Catalyst Ring Size

亚胺离子 化学 催化作用 单独一对 酰肼 戒指(化学) 过渡状态 计算化学 有机催化 反应机理 联想代换 重排 周环反应 协同反应 光化学 立体化学 对映选择合成 有机化学 分子
作者
Jacob N. Sanders,HyunJune Jun,Roland A. Yu,James L. Gleason,K. N. Houk
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (39): 16877-16886 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.0c08427
摘要

The mechanism of the organocatalytic Cope rearrangement is elucidated through a combined computational and experimental approach. As reported previously, hydrazides catalyze the Cope rearrangement of 1,5-hexadiene-2-carboxaldehydes via iminium ion formation, and seven- and eight-membered ring catalysts are more active than smaller ring sizes. In the present work, quantum mechanical computations and kinetic isotope effect experiments demonstrate that the Cope rearrangement step, rather than iminium formation, is rate-limiting. The computations further explain how the hydrazide catalyst lowers the free-energy barrier of the Cope rearrangement via an associative transition state that is stabilized by enehydrazine character. The computations also explain the catalyst ring size effect, as larger hydrazide rings are able to accommodate optimal transition-state geometries that minimize the unfavorable lone-pair repulsion between neighboring nitrogen atoms and maximize the favorable hyperconjugative donation from each nitrogen atom into neighboring electron-poor sigma bonds, with the seven-membered catalyst achieving a nearly ideal transition-state geometry that is comparable to that of an unconstrained acyclic catalyst. Experimental kinetics studies support the computations, showing that the seven-membered and acyclic hydrazide catalysts react 10 times faster than the six-membered catalyst. Unraveling the mechanism of this reaction is an important step in understanding other reactions catalyzed by hydrazides, and explaining the ring size effect is critical because cyclic catalysts provide a constrained scaffold, enabling the development of asymmetric variants of these reactions.

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