DFT Mechanistic Investigation into Ni(II)-Catalyzed Hydroxylation of Benzene to Phenol by H2O2

化学 羟基化 苯酚 催化作用 脱质子化 互变异构体 光化学 密度泛函理论 反应机理 氧化加成 药物化学 有机化学 计算化学 离子
作者
‬‬‬‬‬‬Kaveh Farshadfar,Kari Laasonen
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:63 (12): 5509-5519 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.3c04461
摘要

Introduction of oxygen into aromatic C–H bonds is intriguing from both fundamental and practical perspectives. Although the 3d metal-catalyzed hydroxylation of arenes by H2O2 has been developed by several prominent researchers, a definitive mechanism for these crucial transformations remains elusive. Herein, density functional theory calculations were used to shed light on the mechanism of the established hydroxylation reaction of benzene with H2O2, catalyzed by [NiII(tepa)]2+ (tepa = tris[2-(pyridin-2-yl)ethyl]amine). Dinickel(III) bis(μ-oxo) species have been proposed as the key intermediate responsible for the benzene hydroxylation reaction. Our findings indicate that while the dinickel dioxygen species can be generated as a stable structure, it cannot serve as an active catalyst in this transformation. The calculations allowed us to unveil an unprecedented mechanism composed of six main steps as follows: (i) deprotonation of coordinated H2O2, (ii) oxidative addition, (iii) water elimination, (iv) benzene addition, (v) ketone generation, and (vi) tautomerization and regeneration of the active catalyst. Addition of benzene to oxygen, which occurs via a radical mechanism, turns out to be the rate-determining step in the overall reaction. This study demonstrates the critical role of Ni-oxyl species in such transformations, highlighting how the unpaired spin density value on oxygen and positive charges on the Ni–O• complex affect the activation barrier for benzene addition.
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