尿素法による1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノンを合成する反応メカニズムに関する密度官能理論研究

溶媒法を介して尿素法を介して1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン（DMI）を合成するという基本的な反応メカニズムの調整に関する第一原理密度の機能理論調査を報告します。求核性環化反応は、2つのアンモニア除去ステップによって実装されています。ジメチレチレンジアミン（DMEDA）の1つの-NHグループは、最初に尿素の炭素原子を攻撃し、1つの-NH3基を除去し、中間状態CH3NHC2H4N（CH3）CONH2（IMI）を形成します。その後、IMIは、同様の方法で二次アンモニア除去を介して環化プロセスを受けます。水がなければ、2つのアンモニア除去ステップはどちらも、高い活性化障壁（〜50 kcal mol（-1））でわずかに発熱性です。水が反応に関与すると、2つのステップの速度論をそれぞれ大幅に改善できます。より重要なことには、溶剤としての水が果たす役割は、陽子交換橋として機能することです。空間構成のため、エチレンジアミンのn原子から尿素への直接的なプロトンの移動を発生するのは困難です。ウォーターブリッジは、移動距離を短縮することにより、プロトンの移動を促進します。結果として、活性化障壁は〜30 kcal mol（-1）にかなり下げられ、水からの強い触媒効果を示しています。対照的に、IM（I）の3つの可能な副反応は、水で触媒されることさえあり、強い立体阻害効果により高い活性化障壁を持ち、その結果、同じ状態で発生することが困難になります。DMIに対するプロトタイプの反応に関する現在の計算理解を拡張するために、より効率的なルートの開発をガイドして、尿素法を介してイミダゾリジノン誘導体を合成することができます。

We report a first-principles density functional theory investigation on tailoring the fundamental reaction mechanism of synthesizing 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI) through the urea method with water serving as both solvent and catalyst. The nucleophilic cyclization reaction is implemented by two ammonia removal steps. One -NH group of dimethylethylenediamine (DMEDA) first attacks the carbon atom of urea, eliminating one -NH3 group and forming an intermediate state CH3NHC2H4N(CH3)CONH2 (IMI). IMI subsequently undergoes the cyclization process through a secondary ammonia removal via similar manner. Without water, the two ammonia removal steps are both slightly exothermic with high activation barriers (~50 kcal mol(-1)). As water participated in the reaction, the kinetics of the two steps can be significantly improved, respectively. The role that water plays, beside as solvent, more importantly, is to serve as a proton exchange bridge. Due to the spatial configuration, the direct proton migration from the N atoms of ethylenediamine to urea is difficult to occur. The water bridge facilitates the proton migration by shortening the migration distance. As a consequence, the activation barriers are considerably lowered down to ~30 kcal mol(-1), indicating a strong catalytic effect from water. In contrast, the three possible side reactions of IM(I), even catalyzed by water, have higher activation barriers due to strong steric inhibitive effect and consequently become difficult to occur at the same condition. The current computational understanding on the prototypical reaction to DMI can be extended to guide developing more efficient routes to synthesize imidazolidinone derivatives through the urea method.