Quantitative First-Principles Kinetic Modeling of the Aza-Michael Addition to Acrylates in Polar Aprotic Solvents

化学 动能 极地的 有机化学 迈克尔反应 催化作用 天文 量子力学 物理
作者
Gilles Desmet,Dagmar D’hooge,Pınar Sinem Omurtağ Özgen,Pieter Espeel,Guy Marin,Filip Du Prez,Marie‐Françoise Reyniers
出处
期刊:Journal of Organic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:81 (24): 12291-12302 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acs.joc.6b02218
摘要

This work presents a detailed computational study and kinetic analysis of the aza-Michael addition of primary and secondary amines to acrylates in an aprotic solvent. Accurate rate coefficients for all elementary steps in the various competing mechanisms are calculated using an ONIOM-based approach in which the full system is calculated with M06-2X/6-311+G(d,p) and the core system with CBS-QB3 corrected for solvation using COSMO-RS. Diffusional contributions are taken into account using the coupled encounter pair model with diffusion coefficients calculated based on molecular dynamics simulations. The calculated thermodynamic and kinetic parameters for all forward and reverse elementary reactions are fed to a microkinetic model giving excellent agreement with experimental data obtained using GC analysis. Rate analysis reveals that for primary and secondary amines, the aza-Michael addition to ethyl acrylate occurs preferentially according to a 1,2-addition mechanism, consisting of the pseudoequilibrated formation of a zwitterion followed by a rate controlling amine assisted proton transfer toward the singly substituted product. The alternative 1,4-addition becomes competitive if substituents are present on the amine or double bond of the acrylate. Primary amines react faster than secondary amines due to increased solvation of the zwitterionic intermediate and less sterically hindered proton transfer.
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