若干有機催化不對稱反應(yīng)及金屬鉑配合物催化環(huán)加成反應(yīng)的理論研究.pdf

1、不對稱催化是催化領(lǐng)域中一個新的、最具活力的領(lǐng)域。特別是近年來，在新催化劑的設(shè)計、新催化方法的發(fā)現(xiàn)和新催化概念的提出方面有了很大進展。然而，相對于蓬勃發(fā)展的實驗研究，有關(guān)不對稱催化的理論研究相對滯后，大量不對稱催化的反應(yīng)細節(jié)和微觀機理模糊不清，改善已有的催化體系，發(fā)展新的催化劑勢必會受到影響，進而阻礙了不對稱催化的進一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。我們擬對一類氫鍵誘導(dǎo)的不對稱有機催化反應(yīng)和過渡金屬鉑催化的環(huán)加成反應(yīng)進行詳細的理論研究。探究不對稱催化的

2、本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其不對稱誘導(dǎo)的規(guī)律，從而為實驗工作者提供一定的理論指導(dǎo)。近年來通過各種氫鍵作用特別是正常氫鍵和π型氫鍵活化促進的不對稱催化反應(yīng)已經(jīng)成為不對稱催化領(lǐng)域的研究熱點，有關(guān)氫鍵誘導(dǎo)的新催化體系、新催化方法和新催化概念不斷被報道。然而有關(guān)的誘導(dǎo)機制尚未完全明確，相關(guān)的理論體系尚未形成，從而阻礙了氫鍵誘導(dǎo)不對稱催化的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
　　本文基于氫鍵誘導(dǎo)的新催化體系、新催化方法和新催化概念，運用量子化學(xué)方法研究了胺類雙官能團催化劑催

3、化的四個不對稱反應(yīng)體系，探討了胺類雙官能團催化劑催化不對稱有機反應(yīng)的微觀機理，揭示了氫鍵誘導(dǎo)不對稱有機催化的決定因素以及立體控制的規(guī)律性。另外，過渡金屬催化的環(huán)加成反應(yīng)是有機合成中構(gòu)建環(huán)狀化合物最有效的工具之一。本論文對金屬鉑(Ⅱ)配合物催化的一類環(huán)加成反應(yīng)進行了詳細的研究。通過研究催化反應(yīng)的機理，揭示了催化環(huán)加成反應(yīng)的化學(xué)選擇性，exo/endo選擇性及立體選擇性的根源。計算結(jié)果為實驗工作者在設(shè)計及改善實驗，預(yù)測實驗中反應(yīng)中間體和過渡

4、態(tài)的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性、立體選擇性等方面提供一定的理論指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容及結(jié)論歸納如下：
　?、庞妹芏确汉碚撗芯苛?-環(huán)己烯-1-酮的催化不對稱環(huán)氧化反應(yīng)，其中H2O2(50％ w/w in water)做氧化劑、手性二元伯胺做催化劑、TFA做輔助催化劑。計算結(jié)果表明:(1)反應(yīng)首先涉及親電試劑的活化，在酸性環(huán)境下通過催化劑的伯胺與環(huán)己酮上的羰基作用，生成酮亞胺離子，接著發(fā)生過氧化氫對酮亞胺離子的親核加成，兩個反應(yīng)底物之間形成C-O鍵

5、;最后發(fā)生閉環(huán)反應(yīng)，伴隨著氫鍵配合物的解離釋放出產(chǎn)物。(2)催化反應(yīng)有四條競爭反應(yīng)通道，它們對應(yīng)著酮亞胺離子的四種異構(gòu)體(KI1、KI2、KI3、KI4)。(3)催化不對稱環(huán)氧化反應(yīng)的速控步驟是閉環(huán)步，同時也是決定對映選擇性的關(guān)鍵步驟。計算結(jié)果確證了TFA陰離子和水協(xié)同作用明顯加快了反應(yīng)速率，通過氫鍵作用不同程度地穩(wěn)定相關(guān)過渡態(tài)，從而產(chǎn)生對映選擇性。總之，通過DFT計算提供了詳細的胺催化環(huán)酮不對稱環(huán)氧化反應(yīng)的機理，合理化了TFA陰離子和

6、水的作用，充分解釋了實驗現(xiàn)象。
　?、朴妹芏确汉碚撗芯苛?1S，2S)-1,2-二苯基-1,2-乙二胺/TFA催化環(huán)己酮環(huán)氧化反應(yīng)，闡述了反應(yīng)中對映選擇性的根源以及輔助催化劑TFA的角色。通過討論能量相對較低的過渡態(tài)的共價作用和非共價作用，我們發(fā)現(xiàn)催化劑苯環(huán)和橋水間的Csp2H…O氫鍵相互作用是導(dǎo)致產(chǎn)生對映選擇性的根源。輔助催化劑TFA雖然沒有起到控制對映選擇性的作用，但它依然是獲得高度反應(yīng)活性和對映選擇性所不可缺少的，因為它增

7、加了過渡態(tài)結(jié)構(gòu)的剛性，為Csp2H…O氫鍵的形成提供了基礎(chǔ)條件?？傊覀兪状翁岢龃呋瘎┍江h(huán)和橋水間的Csp2H…O氫鍵相互作用的重要性，為實驗工作者設(shè)計新催化劑、選擇抗衡離子等方面提供了很好的參考依據(jù)。
　?、怯妹芏确汉碚撗芯苛?1S，2S)-1,2-二苯基-1,2-乙二胺-Br(o)nsted酸(TFA和TRIP)催化2-環(huán)己烯-1-酮與過氧化氫的環(huán)氧化反應(yīng)，進一步確證了催化劑苯環(huán)和橋水間的Csp2H… O氫鍵相互作用是導(dǎo)致

8、產(chǎn)生對映選擇性的重要因素。采用簡化模型（輔助催化劑）計算的方法，成功闡述了手性伯胺催化環(huán)酮環(huán)氧化反應(yīng)中對映選擇性的根源以及Br(o)nsted酸的角色。解釋了為什么兩種構(gòu)型不同的催化劑(1S，2S)-1,2-二苯基-1,2-乙二胺和(1S，2S)-1,2-環(huán)己二胺分別與輔助催化劑(非手性的TFA和手性的R)-，(S)-TRIP）一起催化環(huán)酮環(huán)氧化反應(yīng)得到相似的對映選擇性。從理論上預(yù)測決定最終產(chǎn)物對映選擇性的因素不僅與催化劑的立體構(gòu)型有關(guān)

9、，而且與催化劑和助催化劑的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。
　?、扔妹芏确汉碚撗芯苛藅rans-N，N-2-甲基環(huán)己二胺催化的對硝基苯甲醛與環(huán)己酮的aldol反應(yīng)。計算結(jié)果表明：在酸性條件下首先伯胺催化劑與環(huán)己酮反應(yīng)生成烯胺離子，接著發(fā)生對硝基苯甲醛對烯胺離子的親核加成，兩個反應(yīng)底物之間形成C-O鍵，同時醛基氧奪取氫形成醇；催化反應(yīng)有八條競爭反應(yīng)通道，它們對應(yīng)著反應(yīng)底物與催化劑的四種不同的配合方式及分別兩種不同進攻角度，分別生成四個構(gòu)型不同的產(chǎn)物

10、；在TFA存在的條件下，anti-產(chǎn)物為主產(chǎn)物;在丁二酸存在的條件下，syn-產(chǎn)物為主產(chǎn)物。從理論上預(yù)測了決定反應(yīng)主產(chǎn)物立體選擇性的因素是輔助催化劑的酸性強弱。為實驗工作者設(shè)計新催化劑，選擇輔助催化劑等方面提供了很好的參考依據(jù)。
　　⑸用密度泛函理論研究了鉑(Ⅱ)催化的脂肪族γ，δ-炔酮與烯烴的環(huán)加成反應(yīng)，分析了一類含鉑羰基葉立德和這些葉立德與缺電子烯烴的環(huán)加成反應(yīng)的微觀機理。計算結(jié)果表明：γ，δ-炔酮的羰基氧以6-endo方式進

11、攻炔基生成含鉑羰基葉立德；葉立德與甲基乙烯基醚反應(yīng)包含三條路徑:[3+2]環(huán)加成/1,2-氫轉(zhuǎn)移（路徑1），[3+2]環(huán)加成/1,2-烷基遷移/1,2-氫轉(zhuǎn)移（路徑2）和[4+2]環(huán)加成/1,2-烷基遷移/1,2-氫轉(zhuǎn)移（路徑3）；底物取代方式?jīng)Q定反應(yīng)機理。當脂肪族γ，δ-炔酮(A)的炔丙基位沒有甲基取代時，三條路徑互相競爭，路徑1經(jīng)[3+2]環(huán)加成/1,2-氫轉(zhuǎn)移生成exo-P(a)，而其它兩條路徑（2和3）分別經(jīng)[3+2]環(huán)加成/兩

12、個連續(xù)的1,2-烷基遷移/1,2-氫轉(zhuǎn)移和[4+2]環(huán)加成/1,2-烷基遷移/1,2-氫轉(zhuǎn)移生成P(b)。然而，當脂肪族γ，δ-炔酮(A')的炔丙基位置有甲基取代時，exo-P'(a)的路徑1是有利路徑，其它兩條路徑因較高的反應(yīng)勢壘使產(chǎn)物P'(b)難于生成；甲基乙烯基醚取代基和催化劑氯原子間的空間位阻導(dǎo)致了反應(yīng)的exo/endo選擇性；運用distortion-interaction理論分析了反應(yīng)對映選擇性的根源。總之，計算結(jié)果為實驗工

13、作者設(shè)計、預(yù)測含有手性PtCl2-催化的不對稱反應(yīng)提供了一定的理論指導(dǎo)。
　　本研究創(chuàng)新點表現(xiàn)在三個方面：①用量子化學(xué)方法闡明了胺類雙官能團催化劑催化環(huán)酮環(huán)氧化反應(yīng)機理，從原子分子水平闡明了實驗上不能解釋的問題，如:控制對映選擇性的因素、輔助催化劑Br(o)nsted酸和水的作用等。相關(guān)結(jié)果為實驗工作者在設(shè)計與開發(fā)新催化劑、選擇輔助催化劑等方面提供了新的思路。②探討了胺類雙官能團催化劑催化環(huán)酮環(huán)氧化反應(yīng)中決定最終產(chǎn)物對映選擇性的因

14、素，弄清了控制對映選擇性的關(guān)鍵因素，為實驗工作者設(shè)計與開發(fā)新催化劑、選擇抗衡離子等方面提供了很好的參考依據(jù)。③研究了氯化鉑催化的一類環(huán)加成反應(yīng)。通過研究催化反應(yīng)的機理，揭示了催化環(huán)加成反應(yīng)的化學(xué)選擇性，exo/endo選擇性及立體選擇性的根源。計算結(jié)果為實驗工作者在設(shè)計實驗，預(yù)測實驗中反應(yīng)中間體和過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性、立體選擇性等方面提供一定的理論指導(dǎo)。目前，有機催化劑的種類以及被研究的有機催化反應(yīng)數(shù)量還非常有限，而且大部分有機催化反應(yīng)

15、對反應(yīng)底物依賴性比較大，底物結(jié)構(gòu)稍有改變就有可能導(dǎo)致產(chǎn)率和對映選擇性的大大下降。如何優(yōu)化使催化劑更具普適性，如何進一步提高提高催化選擇性（包括化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性、立體選擇性）和效率，仍然是廣大化學(xué)工作者面臨的關(guān)鍵問題。本文的研究取得了許多具有理論價值的創(chuàng)新性成果，對實驗研究及不對稱有機催化的進一步研究有重要的理論指導(dǎo)意義。另外，近幾十年來，過渡金屬特別是金鉑等金屬配合物以其特有的催化活性吸引了大批研究者的關(guān)注，取得了大量的研究成果。