r-H鍵酸度對(duì)若干重要有機(jī)反應(yīng)的調(diào)控及其介質(zhì)效應(yīng)的計(jì)算化學(xué)研究.pdf

1、pKa是衡量R-H鍵異裂失去質(zhì)子能力的化學(xué)參數(shù)，在化學(xué)領(lǐng)域扮演著十分重要的角色。以平衡酸度為基礎(chǔ)的Br(o)nsted關(guān)系是有機(jī)化學(xué)中最早確立的定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系，它將化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)有機(jī)聯(lián)系了起來(lái)，為利用pKa知識(shí)來(lái)研究、推斷和預(yù)測(cè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)提供了理論依據(jù)?；贐r(o)nsted關(guān)系，運(yùn)用酸度知識(shí)來(lái)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)、診斷反應(yīng)機(jī)理、設(shè)計(jì)新反應(yīng)和催化劑已取得了很大的成功，但也遇到了一些新問(wèn)題。已有通過(guò)調(diào)控催化劑酸度成功提高立體選擇

2、性的報(bào)道，但是酸度與立體選擇性間是否存在關(guān)聯(lián)、存在什么關(guān)聯(lián)目前尚不清楚，無(wú)法用經(jīng)典的Br(o)nsted關(guān)系來(lái)解釋或預(yù)測(cè)。此外，困擾物理有機(jī)化學(xué)家多年，至今仍處于爭(zhēng)論中的硝基烷烴質(zhì)子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的反?，F(xiàn)象，亦無(wú)法用Br(o)nsted關(guān)系來(lái)解釋。揭示酸度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在原因，無(wú)疑將會(huì)為酸度-活性/立體選擇性關(guān)系提供十分寶貴的信息，有助于今后成功設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)。
　　欲用酸度-活性關(guān)系成功設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)，還需要對(duì)溶劑效應(yīng)有較好的認(rèn)識(shí)

3、，因?yàn)榛衔锏乃岫葮O大依賴于溶劑性質(zhì)。離子液體作為一類新型綠色溶劑，有著獨(dú)特的溶劑性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于合成及催化，但對(duì)其獨(dú)特溶劑效應(yīng)的認(rèn)識(shí)卻十分有限。從分子層面理解離子液體究竟如何影響重要的化學(xué)參數(shù)pKa是實(shí)驗(yàn)和理論化學(xué)家共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。更為遺憾的是，離子液體中的實(shí)驗(yàn)pKa數(shù)據(jù)目前極為稀少，并且還沒(méi)有預(yù)測(cè)離子液體中pKa的理論方法。因此，合理設(shè)計(jì)研究離子液體溶劑效應(yīng)的計(jì)算策略，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展預(yù)測(cè)pKa及其它熱力學(xué)參數(shù)的理論方法，對(duì)

4、研究離子液體中的化學(xué)問(wèn)題，理解其獨(dú)特的溶劑效應(yīng)具有十分重要的意義。
　　受上述問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，本論文以量子化學(xué)計(jì)算為工具，系統(tǒng)研究了R-H鍵酸度對(duì)若干重要有機(jī)反應(yīng)的調(diào)控及離子液體對(duì)平衡酸度的介質(zhì)效應(yīng):
　　一、研究利用電子效應(yīng)改變手性催化劑中O-H鍵酸度調(diào)控立體選擇性。理論計(jì)算了催化模型存在爭(zhēng)議、立體選擇性來(lái)源尚不明確的金雞納堿衍生物仿生催化不對(duì)稱烯烴異構(gòu)反應(yīng)的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)催化位點(diǎn)的酸度改變可誘導(dǎo)催化機(jī)理的轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生催化劑變種。其次

5、，通過(guò)對(duì)立體控制步過(guò)渡態(tài)中弱相互作用的定性表征和定量估計(jì)，發(fā)現(xiàn)了多重C-H…O氫鍵協(xié)同作用是誘導(dǎo)該反應(yīng)立體選擇性的來(lái)源。最后，揭示了催化位點(diǎn)酸度增強(qiáng)，選擇性提高的原因，即催化位點(diǎn)酸性增強(qiáng)，引起催化劑與底物間的氫鍵結(jié)合強(qiáng)度增加、使得底物與催化劑在過(guò)渡態(tài)中結(jié)合更緊密、增強(qiáng)了誘導(dǎo)立體選擇性的弱相互作用，從而誘導(dǎo)了更高的立體選擇性。
　　二、評(píng)估共催化劑通過(guò)分子識(shí)別調(diào)控手性催化劑中O-H鍵酸度的能力。首次建立了氣相和溶液相中多種氫鍵共催化

6、劑誘導(dǎo)脯氨酸的羧酸基團(tuán)pKa shift的標(biāo)度。此外，考察了氫鍵共催化劑在過(guò)渡態(tài)中的行為，發(fā)現(xiàn)其不僅與催化劑作用，還與底物發(fā)生作用。
　　三、研究非手性催化劑中O-H鍵酸度對(duì)Br(o)nsted酸催化反應(yīng)的影響。理論評(píng)估了乙酸催化分子內(nèi)氧化還原氨化合成烷基吡咯的兩種爭(zhēng)議機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明直接1，3-負(fù)氫遷移和酸輔助包含亞胺正離子的分步機(jī)理所需的活化能都過(guò)高?；谟?jì)算結(jié)果，并結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)事實(shí)，提出了一種不含亞胺正離子的新催化機(jī)理。該

7、催化反應(yīng)包含多個(gè)基元步驟是Br(o)nsted關(guān)系無(wú)法適用于該反應(yīng)的原因。
　　四、研究通過(guò)底物的C-H鍵酸度調(diào)控反應(yīng)。理論計(jì)算了硝基烷烴及硝基環(huán)烷烴與氫氧根負(fù)離子水相質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，首次發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是導(dǎo)致其違背Br(o)nsted關(guān)系的重要原因。
　　五、基于本課題組近期實(shí)驗(yàn)測(cè)定的純離子液體中碳酸（carbon acids）的絕對(duì)酸度，首次設(shè)計(jì)了一種計(jì)算離子液體中化合物平衡酸度的理論方法。采用SMD隱性-顯性溶劑模型，理論預(yù)