過渡金屬催化自由基-自由基交叉偶聯(lián)反應的理論研究.pdf

1、經(jīng)過一百多年的研究與探索，自由基化學在21世紀進入了飛速發(fā)展的新階段。隨著一系列自由基反應在藥物分子設計和天然產(chǎn)物全合成中的成功使用，自由基化學再次引起了有機化學家們的廣泛重視。此外，過渡金屬催化和光催化反應的不斷發(fā)展也極大豐富了自由基的種類，拓寬了自由基反應的應用范圍。在當前發(fā)展形勢下，自由基化學領域面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。如何解釋自由基反應的機理，理解自由基偶聯(lián)成鍵的本質，揭示自由基反應的一般規(guī)律，成為當下自由基化學研究的重中之重。<

2、br>　　借助理論計算化學的優(yōu)勢，本論文探討了自由基物種的反應特性，系統(tǒng)研究了過渡金屬催化自由基-自由基偶聯(lián)成鍵的具體過程。我們創(chuàng)造性的提出了分步偶聯(lián)模型解釋這類反應的機理，同時利用自由基親電性、親核性能力的差別解釋了反應中交叉偶聯(lián)選擇性的來源。這些結論為今后自由基-自由基偶聯(lián)反應的實驗設計提供了理論基礎，將有效的推動自由基化學的發(fā)展。本論文主要獲得以下研究成果：
　　1.在Ni催化α-羰基烷基溴化物與烯烴的自由基加成反應中，機理

3、研究表明α-羰基烷基溴化物會與Ni(I)物種發(fā)生電子轉移，引發(fā)C–Br鍵均裂，生成的叔碳自由基隨后進攻烯烴的碳碳雙鍵，得到穩(wěn)定的碳自由基。接下來的理論計算排除了用Ni(II)將碳自由基氧化成碳正離子，通過碳正離子親核進攻羰基成環(huán)的可能性，同時證明了碳自由基對羰基的加成可以有效的構建C–O鍵，為有機合成中C–O鍵的生成提供了新的方法。
　　2.自由基物種一直是光催化反應中的重要活性中間體。對α-酮酸自由基脫羧胺化反應的理論研究表明，

4、?；杂苫梢越邮鼙桨返挠H核進攻，經(jīng)過一個偶極的自由基中間體生成酰胺產(chǎn)物。靜電勢能面計算揭示該中間體具有兩性離子的特征，其中正電荷集中在胺基的氮原子上，負電荷集中在羰基的氧原子上。這一成鍵過程不同于自由基對不飽和鍵的進攻，由苯胺提供孤對電子成鍵，自由基一直保留在羰基碳原子上，該結果極大加深了我們對自由基反應性質的理解。
　　3.Glaser-Hay反應作為一類重要的人名反應，其反應機理始終有待解決，尤其是碳碳成鍵的具體過程。通過對

5、最新報道的 Cu(II)/Cu(I)協(xié)同催化苯乙炔自偶聯(lián)反應的機理研究，我們揭示出在碳碳成鍵過程中，二價炔銅首先發(fā)生二聚得到穩(wěn)定的三重態(tài)炔銅二聚物，由于在三重態(tài)勢能面上發(fā)生1，2-碳碳還原消除能壘較高，該二聚物隨后會經(jīng)過最低能量交叉點（MECP）生成低自旋的單重態(tài)炔銅二聚物。最后在單重態(tài)勢能面上發(fā)生1，2-碳碳還原消除，生成炔烴自偶聯(lián)產(chǎn)物。理論計算表明，該反應中碳碳成鍵的過程實際上相當于兩個炔基自由基自偶聯(lián)的過程，這一發(fā)現(xiàn)為之后的自由基

6、-自由基交叉偶聯(lián)反應研究打下良好基礎。
　　4.在Cu催化的C–N自由基-自由基交叉偶聯(lián)反應中，其偶聯(lián)機理和交叉偶聯(lián)選擇性的來源都是本論文研究的重點內(nèi)容。密度泛函計算表明，反應過程中Cu(I)更傾向于與氮自由基結合，而生成的 Cu(II)–N物種則更傾向于與碳自由基結合，得到穩(wěn)定的Cu(III)中間體，最終的雙電子轉移/還原消除過程將構建新的C–N鍵。此外，借助自由基全局親電性ω°和全局親核性N°的概念，本論文還研究對比了體系中各

7、類自由基的電子性質。研究結果發(fā)現(xiàn)，反應中的氮自由基是貧電子的親電自由基，碳自由基是富電子的親核自由基，因此氮自由基會首先與富電子的Cu(I)結合，而生成的貧電子 Cu(II)–N自由基則傾向于與碳自由基結合，也就是說反應過程中不同價態(tài)的銅化合物傾向于穩(wěn)定具有不同電子性質的自由基，結合各自由基的電子性質，從而解釋了交叉偶聯(lián)選擇性的來源。
　　5.在得到過渡金屬催化自由基-自由基分步偶聯(lián)模型之后，我們還將其應用到Ni催化的酰胺和四氫呋

8、喃的自由基偶聯(lián)反應中。研究結果表明，該分步偶聯(lián)模型同樣適用于Ni催化的C–N自由基-自由基交叉偶聯(lián)反應，并且反應選擇性的來源也可以通過不同自由基物種的電子性質差異來解釋，當兩種自由基的親電性和親核性相互匹配時傾向于發(fā)生交叉偶聯(lián)反應。因此，我們提出的自由基-自由基分步偶聯(lián)模型被證明具有一定的普適性，有望用來解釋這一類反應的機理。不僅如此，自由基全局親電性ω°和全局親核性N°的計算還可以用來預測不同自由基發(fā)生交叉偶聯(lián)反應的可行性，使理論指導