Letters (Selected Paper)
Theoretical Study of the Isomerization Reaction Mechanism of Nitrile N-Oxide to Isocyanate under Basic Conditions
2019 Volume 18 Issue 5 Pages 230-232
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2019 Volume 18 Issue 5 Pages 230-232
Reaction mechanisms for the isomerization of nitrile N-oxide to isocyanate catalyzed by hydroxide ion were investigated by density functional theory calculations. In this mechanism, nitrile N-oxide first dimerizes to a six-membered ring intermediate, and then undergoes two rearrangement reactions to isomerize into two isocyanate molecules. The process with the highest activation energy as an elementary reaction was the second rearrangement reaction, with an activation free energy of 31.1 kcal/mol, which is reasonable for a reaction proceeding slowly at room temperature. This mechanism can also explain the experimental results that the oxygen atom exchanges between nitrile N-oxide molecules during the isomerization reaction.
ニトリルN-オキシドはアルケン，アルキン，シアノ基など様々な不飽和結合と，無触媒で1-3双極子付加環化反応する [1]．この反応性のため，ニトリル N-オキシドは高分子の分子修飾や分子間の連結反応に応用可能な基質として注目されている．しかしながら，ニトリル-N-オキシドは通常不安定でScheme1に示すように，フロキサンへの二量化反応 [2]や，イソシアネートへの異性化反応 [3]により，容易に失活するという問題がある．ニトリルN-オキシドの二量化反応を効果的に抑制する方法は報告されている [4]一方，異性化反応を効果的に抑制する方法は報告されていない．さらに，異性化機構を詳細に検討した例は少なく，異性化機構は解明されていない．そこで本研究では，ニトリルN-オキシドの異性化を抑制する手がかりを得るために，異性化機構を量子化学計算により検討した．
Nitrile N-oxide isomerization to isocyanate and dimerization to furoxane.
我々は過去の研究で，GRRM法 [5, 6]を用いてニトリルN-オキシドの単分子，二分子の異性化経路の系統的探索を行った [7]．その結果求まったエネルギー的に最も有利な異性化経路は，Scheme 2に示すようなジラジカル中間体を経由する異性化経路であった．この経路では，ニトリルN-オキシドが二量化しジラジカル中間体が生じ，三員環中間体へ解離した後，イソシアネートへ異性化する．この経路の中で，素反応として最も活性化エネルギーが大きい過程はジラジカル中間体が3員環構造へ閉環する過程で，ΔG‡ = 41.2 kcal/mol (1 kcal = 4.184 kJ)と非常に大きな値であった．これは，ニトリルN-オキシドの異性化反応は単分子，二分子のみでは熱的に進行し難いことを意味する．したがって，実際には異性化反応は他の経路で進行すると考えられる．
Isomerization pathway of nitrile N-oxide to isocyanate via the diradical addition.
中性条件下では，ニトリルN-オキシドの二量化反応によりフロキサンが生成する．一方でScheme 3に示すように，塩基性条件下ではニトリルN-オキシドの二量化反応により，六員環構造を有する1,4-dioxa-2,5-diazineも生成することが知られている [8]．我々はこの事実に注目し，水溶液中の水酸物イオン OH− が触媒として働き，ニトリルN-オキシド二分子から六員環の中間体を経て，イソシアネートへ異性化する経路の検討を行った．
Nitrile N-oxide dimerize to 1,4-dioxa-2,5-diazine under basic conditions.
全ての計算は Gaussian 16 プログラムで実行した，密度汎関数には ωB97X-D を用い，基底系は6-311+G (d,p)を用いた．求められた各構造について振動計算を行い，安定構造については虚数の振動数を持たないこと，遷移状態については反応座標に対応するただ一つの虚数の振動数を持つことを確認した．
今回我々は，ニトリルN-オキシドのモデル分子(R=Me)を用いて検討した. Figure 1 には，求まった経路の反応のエネルギー図が示されている．ニトリルN-オキシドEQ1とニトリルN-オキシドのOH− 付加体 EQ1' は，head to tail型付加の遷移状態TS1-2(ΔG‡ = 26.2 kcal/mol) を経て EQ2 に至る．EQ2 は閉環の遷移状態TS2-3(ΔG‡ = 8.5 kcal/mol)を経て六員環中間体EQ3へ至る．尚，EQ1とEQ1' から一段階でEQ3が生成するような，協奏的な過程は見出されなかった．EQ3は二度の転位反応の遷移状態TS3-4 (ΔG‡ = 24.0 kcal/mol)およびTS4-5 (ΔG‡ = 31.2 kcal/mol)を経て，イソシアネート二分子(EQ5，EQ5′)へ異性化する. 一度目の転位反応では，Me基の転移と同時に開環し，六員環構造が維持されないことがわかった．
Isomerization pathway of nitrile N-oxide to isocyanate via six-membered ring intermediate catalyzed by hydroxide ion.
この経路の中で，素反応として最も活性化エネルギーが高いのは，二度目の転位反応(TS4-5)でその活性化エネルギーは ΔG‡ = 31.1kcal/molであった．これは，室温で緩やかに進行する反応として合理的な値である．さらに，この経路は同位体ラベル法を用いて得られた「ニトリルN-オキシドがイソシアネートへ異性化する際に，ニトリルN-オキシド分子間でO原子を交換する」という実験結果 [9]を説明できる．
本論文の計算は東京工業大学のTSUBAME3.0 と自然科学研究機構計算科学研究センターのスーパーコンピュータを用いた．研究費を補助していただいたJST CREST (JPMJCR1522) とJSPS 科研費 (JP17K17720) に深謝する．
