鈷催化不對(duì)稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機(jī)理研究分析 高分子材料學(xué)專業(yè)

目錄第一章緒論.............................................................................................31.1課題意義 31.2立題思想 31.3過(guò)渡金屬催化劑 3第二章理論基礎(chǔ)......................................................................................42.1密度泛函理論(DFT) 42.2過(guò)渡態(tài)理論 52.3量子化學(xué)軟件 5第三章鈷催化不對(duì)稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機(jī)理研究...............................63.1反應(yīng)背景........................................................................................63.2計(jì)算方法........................................................................................73.3反應(yīng)機(jī)理.........................................................................................73.3.1醛基脫氫過(guò)程……………....83.3.2碳碳雙鍵加氫過(guò)程……….....93.3.3分子內(nèi)成四元環(huán)過(guò)程………………………......9參考文獻(xiàn).....................................................................................................10致謝............................................................................................................12\o"鈷催化不對(duì)稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機(jī)理研究"鈷催化不對(duì)稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機(jī)理研究摘要：大多數(shù)分子內(nèi)加氫?；磻?yīng)優(yōu)先生成環(huán)戊酮而不是環(huán)丁酮。其中有兩個(gè)例外，它們都使用Rh催化帶有甲氧基指導(dǎo)基團(tuán)的底物，通過(guò)氧化加成活化醛C-H鍵以生成?；饘贇浠镏虚g體。然后烯烴插入該中間體，生成六元和五元金屬環(huán)。一般來(lái)說(shuō)，六元金屬環(huán)易發(fā)生還原消除，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上有利于產(chǎn)生環(huán)戊酮產(chǎn)物。此外，實(shí)現(xiàn)五元金屬環(huán)的還原消除是具有挑戰(zhàn)性的。本次研究中涉及到利用過(guò)渡金屬（Co）生成四元環(huán)，顛覆了加氫?；磻?yīng)的通常區(qū)域選擇性。本文應(yīng)用密度泛函理論(DFT)(B3LYP/6-31G(d)),去尋找可能存在的過(guò)渡態(tài)、中間體，通過(guò)理論計(jì)算研究了鈷催化不對(duì)稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，首先鈷配合物催化劑與底物發(fā)生碳碳雙鍵配位作用，然后醛基中的碳?xì)滏I斷裂，碳碳雙鍵加氫，最終鈷配合物催化劑從體系中分離，生成四元環(huán)的過(guò)程很有可能是該反應(yīng)的機(jī)理。關(guān)鍵詞：加氫?；磻?yīng)；過(guò)渡金屬鈷催化劑；密度泛函理論AbstractMostintramolecularhydroacylationprovideexclusiveaccesstocyclopentanonesinpreferencetocyclobutanones.However,therearetwoexceptions,bothofwhichusesubstratesbearingamethoxy-directinggroupunderRhcatalysistoactivatealdehydeC?Hbondsthroughoxidativeadditiontoformanacyl-metal-hydrideintermediate.Fromthisintermediate,olefininsertionresultsinanequilibriummixtureofthesix-andfive-memberedmetallacycles.Ingeneral,reductiveeliminationfromsix-memberedmetallacyclesisthermodynamicallyandkineticallyfavoredtogeneratethelessstrainedcyclopentanoneproduct.Moreover,achievingreductiveeliminationfromafive-memberedmetallacycleischallenging.Ratherthanrelyingonapreciousmetal,weproposeusingatransitionmetal(Co)tooverturntheusualregioselectivityofhydroacylationtofavorthefour-memberedring.Inthisarticle,densityfunctionaltheory(DFT)(B3LYP/6-31G(d))wasusedtofindpossibletransitionstatesandintermediates.Themechanismofcobaltcatalysisforenantioselectivecyclobutanoneconstructionwasstudiedbytheoreticalcalculations.Basedontheoreticalanalysis,first,thecobaltcatalystfirsthasacarbon-carbondoublebondcoordinationwiththesubstrate,thentheC-Hbondinthealdehydegroupisbroken,thecarbon-carbondoublebondishydrogenated,andfinallythecobaltcomplexcatalystisseparatedfromthesystemtoformafour-memberedring.Thispathwaymaybethemechanismofcobaltcatalysisforenantioselectivecyclobutanoneconstruction.Keywords：Intramolecularhydroacylation，Cobaltcatalyst，Densityfunctionaltheory.第一章緒論1.1課題意義加氫酰化[1]是通過(guò)醛類化合物與炔烴或烯烴發(fā)生反應(yīng)生成酮，該反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)C-C、C-H鍵活化的一種重要方法[2]，同時(shí)也是增長(zhǎng)碳鏈的重要有機(jī)合成方法。在反應(yīng)過(guò)程中，需要某些特定的過(guò)渡金屬催化劑來(lái)參與，主要涉及金屬試劑對(duì)C-H鍵氧化加成，生成金屬化合物，以及之后對(duì)不飽和鍵的插入、還原消除，最終得到加氫酰化的產(chǎn)物。羰基化合物在科學(xué)研究、醫(yī)藥應(yīng)用、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域已經(jīng)具有了非常廣泛的用途，可以說(shuō)與我們的生活息息相關(guān)。因此，能夠開發(fā)出更多的、有實(shí)用性的有機(jī)合成新反應(yīng)、新方法，進(jìn)而有效地、高效地合成羰基化合物，就成為了有機(jī)化學(xué)合成中一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域，這在工業(yè)合成領(lǐng)域也有著實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。1.2立題思想實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，Rh和Co均通過(guò)氧化加成活化醛C-H鍵，來(lái)生成酰基金屬氫化物中間體。[1][3]然后讓烯烴插入該中間體，以生成六元和五元含金屬的環(huán)。一般來(lái)說(shuō)，六元金屬環(huán)易還原消除，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上有利于產(chǎn)生環(huán)戊酮產(chǎn)物。但是最近，VyM.Dong的課題組報(bào)道了一篇文章，是有關(guān)過(guò)渡金屬鈷催化生成環(huán)丁酮的分子內(nèi)加氫酰化反應(yīng)，此反應(yīng)具有很高的區(qū)域選擇性。[4]對(duì)于此反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)理，我們進(jìn)行了理論計(jì)算的研究。1.3過(guò)渡金屬催化劑近年來(lái)，科學(xué)家們?cè)谶^(guò)渡金屬催化的C-H官能化方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，C-H官能化可以顯著簡(jiǎn)化藥物、天然產(chǎn)物、農(nóng)用化學(xué)品、聚合物和原料商品化學(xué)品的合成過(guò)程。然而直到最近，大部分催化C-H官能化的方法仍是通過(guò)使用貴重的第二和第三系列過(guò)渡金屬。所以開發(fā)擁有更豐富儲(chǔ)存量的第一過(guò)渡金屬絡(luò)合物的催化劑，成為了非常有吸引力的替代方案。第一個(gè)鈷催化的加氫?；磻?yīng)是由Vinogradov[5]和后來(lái)的Brookhart[6][7]發(fā)現(xiàn)的，該反應(yīng)在溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行，催化劑用量低，產(chǎn)率極高，這也使人們看到了環(huán)境友好的鈷配合物催化劑所具有的巨大應(yīng)用潛力。第二章理論基礎(chǔ)引言量子化學(xué)開始于Heitler和London處理氫分子中的共價(jià)鍵時(shí)。量子理論的發(fā)展使得量子化學(xué)目前正成為化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)以及廣大化學(xué)家的有力研究工具。理論和實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究上探討分子體系方面的結(jié)合使整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域發(fā)生巨大變革和進(jìn)步，從此現(xiàn)代化學(xué)不再是純實(shí)驗(yàn)學(xué)科?，F(xiàn)今在有機(jī)化學(xué)的研究中，研究人員常常將理論計(jì)算于實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)理論計(jì)算得到反應(yīng)的機(jī)理，或者幫助完成溶劑化篩選，甚至能輔助找出試驗(yàn)中存在的問(wèn)題。[8]這樣在節(jié)約藥品的同時(shí)，也提升科研效率。隨著計(jì)算化學(xué)的計(jì)算方法及軟件的不斷發(fā)展進(jìn)步，理論計(jì)算必將在化學(xué)研究上日益發(fā)揮巨大作用。2.1密度泛函理論密度泛函理論（DFT）的基礎(chǔ)可以追溯到20世紀(jì)20年代的Thomas和Fermi的研究，但是在20世紀(jì)60年代Hohenberg，Kohn和Sham的研究之后，特別是在20世紀(jì)90年代早期出現(xiàn)了B3LYP，[9]DFT的廣泛應(yīng)用已被實(shí)現(xiàn)。密度泛函理論（DFT）在過(guò)去的幾十年中已經(jīng)成為模擬化學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)大方法。DFT是圍繞電子系統(tǒng)的能量可以用其電子概率密度ρ來(lái)定義的前提而建立的。對(duì)于包含n個(gè)電子的系統(tǒng)，ρ（r）表示空間r中特定點(diǎn)處的總電子密度。根據(jù)DFT形式，電子能量E被認(rèn)為是電子密度E[ρ]的函數(shù)，對(duì)于給定的函數(shù)ρ（r）對(duì)應(yīng)于單個(gè)能量，即系統(tǒng)的電子密度與其能量之間一一對(duì)應(yīng)存在?？紤]以下因素，可以最好地說(shuō)明基于波函數(shù)概念的密度泛函理論的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于包含n個(gè)電子的系統(tǒng)，如果包含自旋，其波函數(shù)將具有每個(gè)電子三個(gè)坐標(biāo)和每個(gè)電子多一個(gè)坐標(biāo)，即總共4n坐標(biāo)，而電子密度僅取決于三個(gè)坐標(biāo)，與構(gòu)成系統(tǒng)的電子數(shù)量無(wú)關(guān)。因此，盡管波函數(shù)的復(fù)雜性會(huì)隨著電子數(shù)量的增加而增大，但電子密度的變量保持?jǐn)?shù)量不變，與系統(tǒng)大小無(wú)關(guān)。通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)正常情況下是無(wú)法從電子密度中“恢復(fù)”出波函數(shù)的，因?yàn)閺牟ê瘮?shù)到電子密度的過(guò)程中，會(huì)丟失掉大量的信息。但是密度泛函理論（DFT）卻擁有不一樣的結(jié)果：從波函數(shù)，Green函數(shù)，密度矩陣到密度，至少對(duì)于只是基態(tài)的情形下，它并沒(méi)有丟失什么信息。這說(shuō)明了密度泛函理論已經(jīng)將3N維波函數(shù)問(wèn)題簡(jiǎn)化成了粒子密度問(wèn)題，這是一種基于量子力學(xué)的從頭算理論。2.2過(guò)渡態(tài)理論過(guò)渡態(tài)理論（TST）是在1935年由M.波拉尼和A.G.埃文斯所提出的，它解釋了基本化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率。該理論假設(shè)反應(yīng)物與活化過(guò)渡態(tài)配合物之間存在一種特殊的化學(xué)平衡（準(zhǔn)平衡）。過(guò)渡態(tài)理論主要用于定性地了解化學(xué)反應(yīng)如何發(fā)生。由于絕對(duì)反應(yīng)速率的計(jì)算需要對(duì)勢(shì)能面的精確了解，過(guò)渡態(tài)理論在計(jì)算絕對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的初始目標(biāo)方面并不成功，但是對(duì)于速率常數(shù)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的特定反應(yīng)，在計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)活化焓，標(biāo)準(zhǔn)活化熵和標(biāo)準(zhǔn)吉布斯活化能方面獲得了成功。過(guò)渡態(tài)理論背后的基本思想如下：（1）反應(yīng)速率可以通過(guò)檢查勢(shì)能面的鞍點(diǎn)附近的活化絡(luò)合物來(lái)研究。這些絡(luò)合物形成的細(xì)節(jié)并不重要。鞍點(diǎn)本身被稱為過(guò)渡態(tài)。（2）活化的絡(luò)合物與反應(yīng)物分子處于特定的平衡（準(zhǔn)平衡）。（3）活化的絡(luò)合物可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，動(dòng)力學(xué)理論可以用來(lái)計(jì)算這種轉(zhuǎn)化率。過(guò)渡態(tài)理論也被稱為“活化絡(luò)合物理論”，“絕對(duì)速率理論”和“絕對(duì)反應(yīng)速率理論”。2.3量子化學(xué)軟件量子化學(xué)軟件的設(shè)計(jì)思路在于將復(fù)雜的量子化學(xué)計(jì)算過(guò)程程序化，從而達(dá)到方便人們使用、提高運(yùn)算效率并且具有較強(qiáng)的普適性的目的[10]。根據(jù)研究對(duì)象的不同可將計(jì)算軟件進(jìn)行分類：對(duì)于有限尺度體系（分子、團(tuán)簇等）有Gaussian、ADF、Dalton、EHMO、Gamess、MOPAC等量子化學(xué)軟件；對(duì)于無(wú)限周期重復(fù)體系（固體、晶體表面、鏈狀聚合物等）有NNEW3、Wien、VASP、Crystal等量子化學(xué)軟件。本課題采用的是Gaussian程序來(lái)研究有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。Gaussian軟件的功能十分強(qiáng)大，它可以完成子構(gòu)型的幾何優(yōu)化，分單點(diǎn)能，分子軌道，原子電荷電勢(shì)，紅外光譜和拉曼光譜，熱力學(xué)性質(zhì)，模擬溶劑化影響等計(jì)算任務(wù)。第三章反應(yīng)的理論研究3.1文獻(xiàn)背景過(guò)渡金屬催化的加氫?；磻?yīng)的過(guò)程，一般包括醛分子的C-H鍵先活化進(jìn)入到金屬中心，然后生成酰基金屬氫化物，接著不飽和烴插入生成?；饘偻榛衔?，最后經(jīng)過(guò)還原消除生成酮類化合物并且金屬催化劑從體系中分離。一般來(lái)說(shuō)，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上有利于產(chǎn)生環(huán)戊酮產(chǎn)物。但是，有兩個(gè)例外，它們都使用Rh催化帶有甲氧基指導(dǎo)基團(tuán)的底物，[11]如（圖3.1）所示。圖3.1銠催化形成環(huán)丁酮和環(huán)戊烯酮的反應(yīng)本次研究中并不依賴過(guò)渡金屬（Rh），而是利用過(guò)渡金屬（Co）生成四元環(huán)，來(lái)推翻加氫?；磻?yīng)的通常區(qū)域選擇性。3.2計(jì)算方法本文所有的計(jì)算均使用密度泛函理論中的B3LYP方法[12]。計(jì)算模型中碳、氫、氧、磷非金屬原子使用6-31G(d)基組[13]，鈷原子使用的是LANL2DZ基組[14]。我們使用SMD溶劑化模型[15]考慮了溶劑化效應(yīng)。溶劑化下單點(diǎn)能的計(jì)算對(duì)鈷原子使用的是SDD[16]贗勢(shì)基組，其他非金屬原子使用的是6-311++G(d,p)基組。本文均采用Gaussian09[17]來(lái)優(yōu)化幾何構(gòu)型和計(jì)算能量。3.3反應(yīng)機(jī)理圖3.2鈷催化生成環(huán)丁酮反應(yīng)機(jī)理圖在鈷催化作用下對(duì)映選擇性環(huán)丁酮的構(gòu)建反應(yīng)中，我們以(S,S)-(BDPP)配位的鈷為催化劑模型，我們決定用鈷(0)配合物作為催化劑進(jìn)行反應(yīng)機(jī)理驗(yàn)證，這是因?yàn)楹新仍拥拟?Ⅱ)配合物在金屬Zn的還原作用下會(huì)得到鈷(0)配合物，且該簡(jiǎn)化會(huì)使計(jì)算過(guò)程更加高效。經(jīng)過(guò)我們的計(jì)算分析可知，該反應(yīng)路徑大致要經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)渡態(tài)，對(duì)應(yīng)醛基拔氫過(guò)程、碳碳雙鍵加氫過(guò)程以及分子內(nèi)成四元環(huán)過(guò)程三個(gè)反應(yīng)過(guò)程。下面依次對(duì)三個(gè)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)一步描述討論。圖3.3鈷催化生成環(huán)丁酮的能壘圖?G(kcal/mol)cat+rea0.00INT11.71INT2-8.30INT3-19.16TS118.46TS2-8.03TS30.97pro+cat-17.98表3.1鈷催化生成環(huán)丁酮反應(yīng)的吉布斯自由能?G(kcal/mol)3.3.1醛基脫氫過(guò)程醛基脫氫過(guò)程首先需要鈷(0)配合物催化劑與底物發(fā)生碳碳雙鍵配位作用，該雙鍵配位表述如下：碳碳雙鍵的π鍵電子進(jìn)入鈷原子的空軌道，鈷原子與兩個(gè)碳碳雙鍵的π鍵分別配位，形成一個(gè)分子內(nèi)含有以底物分子作為螯合配體的過(guò)渡金屬鈷配合物。該過(guò)程形成物需要吸收1.71kcal/mol的能量，比較容易進(jìn)行。然后該鈷配合物中的鈷原子與醛基中的C-H鍵發(fā)生氧化加成，形成以C原子、鈷原子和氫原子為中心的三中心過(guò)渡態(tài)TS1，該鈷配合物形成過(guò)渡態(tài)TS1需要克服16.75kcal/mol的能壘，最終C-H鍵破裂，H原子和羰基C原子分別與鈷原子鍵連，形成一個(gè)配位數(shù)為六的鈷配合物中間體INT2，并釋放26.76kcal/mol的能量。催化劑INT1TS1INT23.3.2碳碳雙鍵加氫過(guò)程該過(guò)程是醛基脫氫過(guò)程的產(chǎn)物六配位鈷配合物中間體進(jìn)行的后續(xù)反應(yīng)。該過(guò)程的能壘非常之低，為0.27kcal/mol，故該過(guò)程非常容易進(jìn)行。它的大致過(guò)程為與鈷原子鍵連的H原子鍵長(zhǎng)拉長(zhǎng)同時(shí)H原子與該鈷配合物中間體的其中一個(gè)碳碳雙鍵端位C原子作用，而鈷原子則與碳碳雙鍵遠(yuǎn)離端位的C原子作用加強(qiáng)，最終H原子加到原碳碳雙鍵上，而鈷原子與碳碳雙鍵遠(yuǎn)離端位的C原子形成單鍵。該過(guò)程導(dǎo)致原來(lái)的六配位鈷配合物中間體變成五配位鈷配合物中間體，即為INT3所示分子結(jié)構(gòu)。TS2INT33.3.3分子內(nèi)成四元環(huán)過(guò)程INT3再經(jīng)歷一分子內(nèi)成環(huán)過(guò)渡態(tài)最后即可生成最終產(chǎn)物。其過(guò)程是：鈷原子與羰基C原子鍵合作用減弱，鍵長(zhǎng)拉伸，由1.92?拉伸至1.97?，且Co-C單鍵削弱，鍵長(zhǎng)拉伸，由2.04?拉伸至2.35?；而羰基C原子與Co-C單鍵中的C原子距離縮短，相互作用加強(qiáng)，形成一個(gè)與TS1類似的三中心過(guò)渡態(tài)TS3。該過(guò)渡態(tài)最終結(jié)果是鈷原子與兩個(gè)C原子的鍵合作用均削弱，并從體系中分離，還原成原來(lái)的鈷(0)配合物催化劑。而羰基C原子與原來(lái)Co-C單鍵中的C原子鍵合作用加強(qiáng)，形成一個(gè)C-C單鍵，其最終產(chǎn)物即是環(huán)丁酮化合物。該成環(huán)過(guò)程經(jīng)歷的TS3過(guò)渡態(tài)需要INT3吸收20.13kcal/mol的能量，可知該過(guò)程在三個(gè)過(guò)程中能壘最高，是整個(gè)反應(yīng)的決定步驟。而該反應(yīng)從整體來(lái)看易于進(jìn)行，故這條計(jì)算途徑很有可能是該鈷催化構(gòu)建對(duì)映選擇性環(huán)丁酮反應(yīng)的機(jī)理。TS3產(chǎn)物參考文獻(xiàn)Willis,M.C.Chem.Rev.2010,110,725.(a)Newhouse,T.;Baran,P.S.;Hoffmann,R.W.Chem.Soc.Rev.2009,38,3010.(b)Trost,B.M.Science.1991,254,1471.(a)Murphy,S.K.;Park,J.W.;Cruz,F.A.;Dong,V.M.Science.2015,347,56.(b)Lenges,C.P.;Brookhart,M.J.Am.Chem.Soc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