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Theoretical Insight into the Mechanism and Selectivity in Manganese-Catalyzed Oxidative C(sp3)–H Methylation

催化作用 羟基化 选择性 化学 密度泛函理论 单独一对 价(化学) 反应机理 互变异构体 药物化学 立体化学 光化学 计算化学 分子 有机化学
作者
Aili Feng,Yanhong Liu,Yiying Yang,Rongxiu Zhu,Dongju Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 2290-2301 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05025
摘要

Density functional theory calculations were performed to understand the mechanism and selectivity for the manganese-catalyzed oxidative C(sp3)–H methylation reaction ( Nature 2020, 580, 621−627). The calculated results show the detailed mechanisms of several key processes, including preactivation of the catalyst (S,S)-MnII(CF3PDP), formation of the active oxidant species, hydroxylation of the N-heterocycle substrate, and methylation of the hydroxylated intermediate. The present study identifies MnIII–OH and MnIII–OOH as two key intermediates at the catalyst preactivation stage and a MnIII-peracetate complex and its valence tautomer MnIVO(AcO) as the active oxidants, whose formation involves a fascinating two-state reaction mechanism. The substrate hydroxylation consists of two elementary steps: H-atom abstraction with triplet-to-quintet state intersystem crossing and barrierless OH radical rebound on the quintet surface. Methylation of the hydroxylated product is predicted to be a thermodynamically controlled process, which proceeds predominately through a stepwise mechanism: hydroxyl anion abstract followed by methyl migration. The exclusive α-site selectivity is attributed to the electronic effects (C–H position relative to the lone pair on the N atom).

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