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钒基催化剂作用下苯直接氨基化和羟基化反应的理论研究

作　者: 唐典勇
导　师: 胡常伟
学　校: 四川大学
专　业: 物理化学
关键词: 钒苯苯胺苯酚反应机理密度泛函(DFT) 电子局域泛函(ELF) “分子中原子”理论(AIM) 电荷分解分析(CDA) 能量分解分析(EDA)
分类号: O643.32
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

苯直接氨基化和羟基化制苯胺和苯酚的反应涉及稳定C-H键的活化,是合成化学中颇具挑战性的课题之一,受到越来越多的关注。本文主要研究了钒基催化剂作用下苯以羟胺作为氨基化试剂的直接氨基化制苯胺反应机理和以双氧水为氧化剂的苯直接氧化形成苯酚的反应机理。采用羟胺作为氨基化试剂的苯直接氨基化反应涉及五价钒氧化羟胺的过程。因此,首先本文研究了气相中VO2+氧化羟胺形成初级产物HNO的反应机理以确定钒在羟胺溶液中的主要存在形态。理论模拟研究采用密度泛函B3LYP方法结合6-311++G**基组。对基态和第一个三重激发态反应途径上所有中间体和过渡态进行了几何结构优化和频率计算。研究了两个不同的反应机理,即单电子机理和双电子机理。单电子机理通过VO2+氧化羟胺形成NH2O·和·NHOH自由基复合物([VO(OH)(NH2O)]+和[VO(OH)(NHOH)]+);然后VO2+氧化中间产物NH2O·自由基形成产物HNO和VO(OH)+。计算结果表明,单电子机理是自旋守恒的,其决速步骤为第一步中的O-H键断裂,活化能为27.92 kcal/mol。双电子机理的前半部分也是形成NH2O·和·NHOH自由基复合物,然后NH2O·和·NHOH自由基复合物通过分子内氢转移形成产物复合物,同时,四价钒被还原为三价钒。双电子机理中,单重态势能面和三重态势能面的交叉导致稳定产物为三重态V(OH)2+。双电子机理可以描述为LS-VV[VO2(NH2OH)+, d0]→LS-VIV [VO(OH)(NH2O)+, d1]→HS-VIV[VO(OH)(NH2O)+ , d1]→HS-VIII [V(OH)2(HNO)+ , d2]过程。仅仅当自旋交叉很容易发生的时候,双电子机理才可能与单电子机理在动力学上相互竞争。但是,在热力学上单电子机理明显比双电子机理占优势。因此,气相中VO2+氧化羟胺形成初级产物HNO主要通过单电子机理进行。这也表明VO2+与NH2OH在水溶液中的反应也主要通过单电子机理来完成。基于梯度场的电子局域泛函拓扑分析表明,所有氢转移首先涉及O-H或N-H键断裂,然后形成O-H共价键。这类型反应可以看成一个共价过程。但是,V(H)区域的较小布居数值表明,这些过渡态并不完全是共价的,第二个氢转移的离子性要比第一个氢转移的大。采用密度泛函理论方法在UB3LYP/6-311G**(IEF-PCM)// UB3LYP/6-311G**水平下研究了钒基催化剂作用下羟胺为氨基化试剂的苯直接氨基化形成苯胺反应的机理。采用了三种催化剂模型,即VO2+, VO(H2O)52+和VO(Ac)(H2O)3+,模拟了反应机理并对结果进行了比较。计算结果表明,VO2+作为催化剂时,加成消除机理和C-H键活化机理的决速步骤均为氨基复合物形成中的氢转移步骤,且加成消除机理要比C-H键活化机理要有利得多。苯环中心的核独立化学位移(NICS)值表明,加成消除机理中,所有驻点中苯部分或苯基中的苯环均保持其芳香性。相反,在C-H键活化机理中,所有驻点中的苯环均保持反芳香性。片段分子轨道(FMO)分析表明,钒的3d轨道在氨基化过程中通过接受环己二烯胺自由基的单电子来稳定环己二烯胺复合物中间体。对于纯水溶剂,弱结合水分子通过静电相互作用降低了决速步骤的活化自由能。氨基自由基复合物产生过程的活化自由能和反应自由能表明,Ac-配位的氨基自由基复合物的中间体形成要比裸的氨基自由基复合物和水配位的氨基自由基中间的体形成容易得多。计算结果与实验结果的对照表明,VO(Ac)(H2O)3+可能是真实反应中的主要活性催化剂。能量分解分析表明,溶剂并没有改变氨基复合物产生过程的本质,而主要是通过配体与钒之间的相互作用的变化来降低反应的活化能和能变,使反应在动力学和热力学上都更容易进行。因为使用的极性溶剂可以改变活性催化剂VO2+, VO(H2O)52+和VO(Ac)(H2O)3+的化学平衡,所以苯胺的产量是与溶剂相关的。在B3LYP/6-311G(2d,2p)(IEF-PCM) //B3LYP/6-311G(2d,2p)水平下,研究了钒催化双氧水为氧化剂的苯直接羟基化制苯酚的反应机理。采用了三种可能的钒物种,即溶剂配位的单钒VO(O2)(CH3CN)4+,以及双钒物种(O2)2V(μ-O)2V(O2)(CH3CN),和(O2)2V(μ-O)2VO(CH3CN)作为催化剂来研究了反应的机理。以VO(O2)(CH3CN)4+为催化剂时,整个反应的决速步骤为C-H键活化,在常温常压下其活化自由能约为38 kcal/mol。这一结果表明在常温常压下VO(O2)(CH3CN)4+不是活性催化剂。溶剂分子CH3CN通过静电相互作用导致活化能比简单VO(O2)+催化的活化自由能要低得多。对于双钒物种(O2)2V(μ-O)2V(O2)(CH3CN) ,则存在两种反应途径。通过苯基中间体(HOO)(O2)V(μ-O)2V(O2)Ph (双中心机理)的反应途径要比通过苯基中间体(O2)2V(μ-O)2V(OOH)Ph (单中心机理)的反应途径容易得多,这是由于双中心机理中C-H键活化和羟基转移过程涉及到两个催化中心钒的d轨道同时与反应中心碳的p轨道和过氧的p轨道相互作用。双中心机理的决速步骤的活化自由能仅为25 kcal/mol左右,这表明它在常温常压下可以进行。但是,单中心反应机理的活化自由能高达40kcal/mol,这就表明这一反应途径在常温常压下不容易进行。对于另一个双钒物种(O2)2V(μ-O)2VO(CH3CN),它只有一条反应途径。这一反应途径中过渡态的轨道相互作用仅仅涉及(O2)2V片段里钒的d轨道与反应中心的轨道相互作用,从而导致活化自由能要比前一个双钒过氧物种的双中心机理的高。这些反应途径中,各个中间体中苯环中心的核独立化学位移值表明这些中间体中苯基的芳香性均没有被破坏。因此,(O2)2V(μ-O)2V(O2)(CH3CN)是乙氰溶液中钒催化双氧水为氧化剂的苯直接羟基反应的活性催化剂。在实验中为了获得较好苯酚收率,必须要改变条件使钒在体系中的聚集态为(O2)2V(μ-O)2V(O2)(solvent)。采用密度泛函B3LYP方法对(CO)4Cr(μ-PH2)2RhH(CO)(PH3)催化膦丁烯氢甲酰化反应机理作了详细研究。总共研究了四个不同反应机理。第一个机理为鳌合络合机理,在这种机理中膦丁烯采取PH2-和乙烯基端与Rh中心配位。第二种机理也为络合机理,但是膦丁烯与Rh中心通过乙烯基端单齿配位。第三种为单配位解离机理,这种机理与单金属催化剂催化烯烃氢甲酰化反应类似。最后一种反应机理为鳌合解离机理,膦丁烯与铑中心通过双齿配位形成五配位中间体。比较这四个机理发现,Rh-Cr双金属催化膦丁烯氢甲酰化与以前研究过的单金属催化的不一样。Rh-Cr双金属催化剂催化膦丁烯氢甲酰化反应涉及以下步骤:首先通过鳌合络合机理的烯烃加成,烯烃插入和羰基插入步骤形成鳌合酰基中间体,然后通过CO加成形成单配位酰基中间体,最后,通过H2分子配位,H2氧化加成和醛的还原消除,单配位酰基复合物转化为产物。羰基插入为整个反应的决速步骤。Cr(CO)4部分的引入改变了烯烃氢甲酰化反应的机理。同时,获得了以下几个新发现。1)CO分压有利于鳌合酰基中间体转化为产物醛。2)双金属Rh-Cr催化剂催化氢甲酰化在苯溶液中生成支链产物在热力学和动力学上都是有利的,其选择性差不多为100%。3)烯烃加成步骤中Rh,Cr轨道相互作用的变化表明这种络合机理可以看成络合机理和解离机理。铬在烯烃加成和插入步骤通过铑、铬轨道相互作用的变化而起到了轨道库的作用。4)活化自由能垒表明,Rh(I)-Cr双金属催化剂的活性比单金属铑催化剂的活性要高。5)Rh-μ-P-Cr-μ-P四元环在反应过程发生改变以适应反应的进行,从而实现铬对催化中心铑的协同性。这些结果与实验结果吻合得很好。

全文目录

摘要  6-10
Abstract  10-15
第一章苯直接氨基化和羟基化研究现状  15-27
  1.1 苯直接氨基化反应及机理研究进展  15-17
    1.1.1 氨作为氨基化试剂  15-17
    1.1.2 羟胺作为氨基化试剂  17
  1.2 钒作催化剂的苯直接羟基化反应及机理研究进展  17-21
    1.2.1 含钒催化剂气相氧化苯制苯酚  19-20
    1.2.2 含钒催化剂催化液相氧化苯制备苯酚  20-21
  1.3 本论文工作的主要内容  21-23
  参考文献  23-27
第二章理论方法简介  27-48
  2.1 密度泛函方法  27-31
  2.2 溶剂化效应方法  31-32
  2.3 自然键轨道方法（Natural Bond Orbital, NBO）  32
  2.4 “分子中的原子”方法（Atom-In-Molecules, AIM）  32-36
    2.4.1 原子、键和分子结构的拓扑学定义  33-35
    2.4.2 成键临界点（BCPs）的性质  35-36
  2.5 电子局域泛函（Electron Localization Functional, ELF）  36-39
  2.6 电荷分解分析（Charge Decomposition Analysis, CDA）及扩展的电荷分解分析法（Extended CDA）  39-42
  2.7 核磁共振（NMR）和顺磁共振谱（EPR）模拟  42-44
    2.7.1 NMR 的计算  42
    2.7.2 核独立化学位移（Nuclear Independent Chemical Shift, NICS）及其在预测芳香性中的应用  42-43
    2.7.3 EPR 谱中g 因子的预测  43-44
  参考文献  44-48
第三章气相中VO_2~+氧化羟胺反应机理的理论研究  48-71
  3.1 引言  48-49
  3.2 计算细节  49-50
  3.3 结果与讨论  50-65
    3.3.1 NH_2O·和·NHOH 自由基复合物的形成  50-54
    3.3.2 VO_2~+ 氧化NH_2O·自由基  54-56
    3.3.3 [VO(OH)(NH_2O)]~+的分子内氧化还原  56-61
    3.3.4 单电子和双电子反应机理的比较  61
    3.3.5 最优反应途径的电子局域泛函（ELF）分析  61-65
  3.4 结论  65-66
  参考文献和注释  66-71
第四章钒基催化剂作用下羟胺为氨基化试剂的苯直接氨基化制苯胺反应机理的理论研究  71-105
  4.1 引言  71
  4.2 计算模型和方法  71-73
  4.3 结果与讨论  73-100
    4.3.1 简单模型催化剂 VO~(2+)  73-86
    4.3.2 溶剂水配位的催化剂模型VO(H_2O)_5~(2+)  86-92
    4.3.3 醋酸根和水配位的催化剂模型VO(Ac)(H_2O)_3~+  92-96
    4.3.4 三种催化剂模型的比较  96-100
  4.4 结论  100-101
  参考文献和注释  101-105
第五章钒基催化剂作用下双氧水作氧化剂的苯直接羟基化反应的理论研究  105-127
  5.1 引言  105-106
  5.2 计算模型与方法  106-107
  5.3 结果与讨论  107-124
    5.3.1 三种活性物种的结构  108-109
    5.3.2 单核溶剂配位物种CA1，VO(O_2)(CH_3CN)_4~+  109-113
    5.3.3 双核钒催化剂CA2，(O_2)_2V(μ-O)_2V(0_2)(CH_3CN)  113-119
    5.3.4 双核钒催化剂CA_3，(O_2)_2V(μ-O)_2VO (CH_3CN)  119-122
    5.3.5 三种催化剂模型的比较  122-124
  5.4 结论  124-125
  参考文献  125-127
第六章铑铬双金属催化剂催化膦丁烯氢甲酰化反应机理的理论研究  127-168
  6.1 引言  127-131
  6.2 计算模型与方法  131-133
  6.3 结果与讨论  133-163
    6.3.1 催化剂的结构  133
    6.3.2 膦丁烯氢甲酰化反应的催化循环  133-159
    6.3.3 区域选择性的起源  159-161
    6.3.4 铬的协同性  161-163
  6.4 结论  163-164
  参考文献  164-168
攻读博士学位期间已发表和完成的论文目录  168-169
致谢  169-170

钒基催化剂作用下苯直接氨基化和羟基化反应的理论研究

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