Computational Insights into the Regioselectivity of 1,3-Dipolar Cycloadditions inside Carbon Nanotubes

区域选择性 碳纳米管 位阻效应 环加成 非共价相互作用 催化作用 化学 纳米技术 密度泛函理论 材料科学 叠氮化物 计算化学 组合化学 有机化学 分子 氢键
作者
Michele Tomasini,Tainah Dorina Marforio,Matteo Calveresi,Albert Poater,Jordi Poater
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (36): 14961-14971
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c03830
摘要

Nature's enzymes exhibit remarkable substrate specificity and catalytic efficiency by transforming substrates within confined active sites. To emulate this, various molecular containers, including zeolites, cyclodextrins, calix[n]arenes, cavitands, cucurbit[n]urils, metal–organic frameworks, covalent organic frameworks, and carbon nanotubes (CNTs), have been explored. Among these, CNTs are notable for their unique physical and chemical properties, enabling them to control reactions through spatial confinement. This study investigates the effect of CNT encapsulation on metal-free 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition reactions between benzyl azide and substituted alkynes. Experimental results showed that CNTs significantly enhance the selectivity for the 1,4-triazole product. Computational studies using density functional theory further elucidate the impact of CNT confinement on reaction mechanisms and regioselectivity. The findings reveal that confinement within CNTs alters potential energy surfaces, favoring 1,4-triazole formation over 1,5-triazole, driven by steric and electronic factors. Additionally, comparative analyses highlight the influence of CNT diameter on activation energies and product stability, particularly with energy decomposition analysis and noncovalent interaction plots. This research underscores the potential of CNTs as nanoscale reactors for controlled synthesis, providing insights into the design of new catalytic systems and advancing the field of molecular encapsulation for selective organic transformations.
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