過渡金屬催化X-H鍵插入反應機理的研究.pdf

1、發(fā)展快速、高原子經(jīng)濟性、高不對稱選擇合成C-O和C-N鍵的方法，在構(gòu)建有機分子、天然產(chǎn)物、藥物分子等方面具有重要的科學意義和廣泛的應用前景。但是過渡金屬不對稱催化X-H鍵時，普遍存在選擇性不高，催化劑應用范圍窄等問題，因此采用密度泛函理論方法，通過反應機理的研究，探索配體的電子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)等對化學反應機理的調(diào)控規(guī)律，為設(shè)計和開發(fā)新型高效手性催化劑，提供了基礎(chǔ)的理論數(shù)據(jù)和指導思想。
　　本文采用密度泛函理論（DFT）方法，分別研究

2、了過渡金屬催化的可實現(xiàn)X-H鍵不對稱和非不對稱插入的反應，主要包括：（1）Rh(Ⅱ)手性催化胺的N-H鍵插入反應機理的研究；（2）Cu(Ⅰ)非手性催化醇的O-H鍵插入反應機理的研究；（3）Cu(Ⅰ)手性催化水的O-H鍵插入反應機理的研究。所有計算均基于密度泛函理論方法并采用商業(yè)化Gaussian09軟件包完成，在溶劑化效應方面采用近年來新發(fā)展的SMD理論溶劑化模型。通過計算分析，主要得到如下結(jié)論：
　?。?）Rh(Ⅱ)手性催化胺的

3、N-H鍵插入反應機理研究的計算結(jié)果表明，首先由親核試劑胺進攻金屬卡賓生成金屬協(xié)同的胺鎓葉立德，接著通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移得到金屬協(xié)同的烯胺中間體。然后烯胺與金屬解離，通過分子內(nèi)的H鍵轉(zhuǎn)移得到一個更穩(wěn)定的七元環(huán)構(gòu)象。烯胺中間體的產(chǎn)生需要的總位壘是5.7kcal/mol并釋放出5.1kcal/mol的能量。計算結(jié)果還表明通過Rh(Ⅱ)催化劑經(jīng)兩步反應能有效地獲得N-H插入反應產(chǎn)物非手性烯胺。另一方面，由于螺形手性磷酸的存在，很大程度上有利于烯胺的不對

4、稱質(zhì)子誘導效應，僅需要6.0kcal/mol的自由活化能，且通過空間誘導效應生成的主要是(R)-產(chǎn)物。
　?。?）Cu(Ⅰ)非手性催化醇的O-H鍵插入反應機理研究的計算結(jié)果表明，親核試劑甲醇進攻金屬卡賓原位從而產(chǎn)生Cu(Ⅰ)-協(xié)同的烯醇中間體，然后通過配體交換得到自由烯醇。最后通過甲醇二聚體催化劑，游離的烯醇進行[1,3]-質(zhì)子遷移反應，此過程總位壘是18.5kcal/mol。進一步的計算結(jié)果表明這個反應機理同樣適用于手性的Cu(

5、Ⅰ)基催化劑，主要原因是Cu(Ⅰ)協(xié)同的烯醇中的Cu是裸露的，重氮酸酯進攻非常容易。計算結(jié)果還指出，對于不對稱的O-H插入反應，自由烯醇的路徑是不可行的，主要是配體的空間位阻效應較大，這一結(jié)果與實驗結(jié)果是一致的。
　?。?）Cu(Ⅰ)手性催化水的O-H鍵插入反應機理研究的計算結(jié)果表明，親核試劑水進攻金屬卡賓原位從而產(chǎn)生Cu(Ⅰ)協(xié)同的烯醇中間體，反應位壘是13.8kcal/mol，然后通過配體原子的調(diào)控作用得到最終的反應產(chǎn)物。首先

6、是Cu(Ⅰ)協(xié)同的烯醇化合物在配體N原子的調(diào)控作用下，使質(zhì)子氫與氮原子成鍵，控制了中間體的手性，反應位壘是5.3kcal/mol。其次，在N原子的調(diào)控下，水分子團簇催化形成銅協(xié)同的的氧鎓葉立德，反應位壘是17.4kcal/mol，該步反應同樣的保持了中間體的手性。最終在配體N原子和C原子的協(xié)同調(diào)控作用下，成功獲得了O-H插入反應的不對稱催化產(chǎn)物，反應位壘是14.9kcal/mol。因此，Cu(Ⅰ)-(Sa,S,S)-Ph-spirobo