吡唑啉衍生物是一类由两个相连的N原子和三个C原子组成的五元杂环化合物。由于其特征的（C=N-NH-C）功能基团，在医药领域、荧光领域以及高能燃料领域均有重要应用。在医药领域，吡唑啉环上的N原子和C=N双键能够形成p-π共轭，极易和生物体内各种酶发生氢键、配位键等作用，从而具有广泛的生物活性。在荧光领域，吡唑啉环的这种p-π共轭效应使环上的电子发生离域作用发出蓝色荧光，可以用作荧光材料以及荧光探针。在高能燃料领域，（C=N-NH-C）功能基团易脱去氮气形成三元张力环，可以用作高能张力环燃料。酮连氮闭环制备吡唑啉衍生物，是一种有效制备吡唑啉衍生物的方法，具有原子利用率高、选择性好等优点。目前关于酮连氮合成吡唑啉衍生物所用催化剂主要是单质碘或草酸，尽管吡唑啉衍生物产率较高，不过为均相反应，存在着分离困难、环境污染大以及后处理繁琐等缺点。
　　中国科学院过程工程研究所离子液体研究团队首次提出利用绿色、多相的FeCl₃催化剂催化酮连氮制备吡唑啉衍生物的方法，有利于解决催化剂分离困难及后处理繁琐等问题。文中通过DFT计算和实验对FeCl₃催化酮连氮制备吡唑啉衍生物进行了详细的研究。在计算方面，利用DFT计算了FeCl₃催化酮连氮制备吡唑啉衍生物的反应路径以及反应能垒（图1），从反应路径图可以看出，整个路径可以分解成两个基元反应：酮连氮构型转变步骤以及酮连氮成环步骤。和无催化剂的反应能垒相比，FeCl₃可以明显降低基元反应的反应能垒。随后通过静电势（ESP）计算FeCl₃催化剂和反应底物的作用方式。结果显示，加入FeCl₃后，对酮连氮分子表面ESP分布产生较大影响（图2）。加入FeCl₃前，酮连氮N1、N2原子表面ESP极小值数值相近（N1 = -33.80，N2 = -33.81 kcal/mol）。加入FeCl₃后，对H14原子的ESP极大值影响较大（3.22 → 21.72 kcal/mol），使其易于和N1结合，促进酮连氮构型转变，引发环化反应。在实验方面，优化了反应时间，反应温度以及催化剂用量对吡唑啉衍生物产率的影响（图3）。实验结果表明，在最优的条件下，酮连氮的转化率达到95%，选择性保持99%不变。
　　该项工作提出用FeCl₃催化酮连氮制备吡唑啉衍生物的方法，并对反应路径和过渡态能垒进行了DFT计算，为开发酮连氮制备吡唑啉衍生物的催化剂提供了新思路。

图1. 酮连氮合成吡唑啉衍生物的反应路径和过渡态能垒

图2. 酮连氮表面静电势（ESP）分析

图3. 催化剂用量、反应时间及反应温度对酮连氮转化率选择性影响

原文链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acs.iecr.0c04032
文章信息：

Yangfeng Xia, Xing Zhang, Long Liu, Haiyun Sun*, Guoying Zhao and Yanqiang Zhang*，Highly efficient conversion of ketazines to pyrazoline derivatives catalyzed by FeCl₃，Industrial & Engineering Chemistry Research，DOI: 10.1021/acs.iecr.0c04032