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不对称有机催化合成反应机理研究

作　者: 唐珂
导　师: 刘永军
学　校: 山东大学
专　业: 物理化学
关键词: 不对称合成 N-杂化卡宾布朗斯特酸 Staudinger反应喹啉密度泛函反应机理立体选择性
分类号: O621.34
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

不对称合成(Asymmetric synthesis),也称手性合成,是指向反应中引入一个或多个手性元素的合成方法,广泛应用于有机合成特别是手性药物的合成中。目前最有效的不对称合成方法是以有机金属催化为代表的手性催化法。然而,随着有机分子催化效能的不断发掘,有机分子催化的不对称合成因其反应条件温和、经济、环保等优点引起了越来越多的关注。目前发现的有机分子催化剂包括手性咪唑啉酮及其衍生物、毗咯烷衍生物和硫脲衍生物等。最近,实验上发现两种有机分子催化剂N-杂化卡宾(N-Heterocyclic carbenes)和布朗斯特酸(Brφnsted acid)可以分别催化Staudinger反应(烯酮与亚胺[2+2]环加成)和喹啉加氢反应,并得到高立体选择性的p-内酰胺和1,2,3,4-四氢喹啉。两种产物都具有非常重要的合成意义,前者是抗生素药物的核心药效团；后者普遍存在于生物碱中,常用于药物和农用化学品的合成。虽然实验上取得了满意效果,但目前为止两个体系的催化机制以及影响反应立体选择性的因素还不清楚,相关的实验和理论研究也十分有限。为了能够对反应有一个更加深刻的认识,以便更好地控制反应的立体选择性和设计新型的催化剂,本文通过理论化学方法对两个不对称催化反应的机理以及立体选择性进行了较为系统的理论研究,并取得了一些有意义的结果,具体如下：(1)N-杂环卡宾催化的Staudinger反应机理研究：所谓Staudinger反应是指烯酮和亚胺通过[2+2]环加成合成β-内酰胺的反应。虽然自1907年以来,人们利用Staudinger反应合成了多种类型的β-内酰胺类化合物,且在合成药物方面取得了非常广泛的应用,但对于N-杂环卡宾催化的Staudinger反应机理并未真正搞清楚。目前在实验结果的基础上,人们提出了两种可能的反应机理。一是N-杂环卡宾催化剂首先与烯酮反应,然后再与烯胺反应,称为“先烯酮”机理；二是N-杂环卡宾催化剂首先与烯胺反应,然后再与烯酮反应,称为“先亚胺”机理。两者的根本区别在于哪一种反应物先与卡宾催化剂反应。由于反应的中间体较活泼、难于检测,所以仅从实验结果难以断定反应的具体机理。因此,本文通过密度泛函理论(DFT)方法对N-杂环卡宾催化Staudinger反应的催化机理进行了研究,并对反应产物β-内酰胺的立体选择性做了初步探讨。计算表明,“先烯酮”机理比“先亚胺”机理的势垒低得多。这个结果表明在N-杂环卡宾催化的Staudinger反应中,“先烯酮”机理为最可能的反应路径,即卡宾催化剂首先与烯酮反应,生成的两性离子中间体再与亚胺反应得到最终的产物,而且反应的机理不会随着亚胺取代基的改变而改变。但亚胺取代基的改变会影响催化剂与两种反应物反应速率常数的相对大小,使实验呈现出不同的现象。另外,我们发现通过对亚胺取代基的体积或者极性做适当的修饰,可以达到调控产物立体选择性的目的。(2)N-杂环卡宾催化Staudinger反应的立体选择性研究：催化剂N-杂环卡宾结构的灵活性使反应呈现出多样的立体选择。例如,对称取代的N-杂环卡宾催化的Staudinger反应是反式选择性,而不对称取代的N-杂环卡宾催化的体系则是顺式选择性。另外,在不对称取代的N-杂环卡宾催化体系中,改变催化剂取代基的相对大小能够导致不同的对映选择性。很显然,上一章所用的简化催化剂模型不能够反映催化剂结构与体选择性之间的这种关系,但常规的计算方法又很难胜任比较大的体系,因此在这一部分我们选用了ONIOM方法对对完整结构的催化剂体系进行了研究。ONIOM方法允许对不同的区域选用不同计算方法,适用于比较大的研究体系。通过对几个不同的体系的计算,我们发现这种方法预测的结果跟试验结果相一致。在此基础上我们深入地探讨了影响反应立体选择性的因素。我们发现中间体“催化剂-烯酮”与亚胺之间的这步反应决定了产物的立体选择性,反应过程中的两种影响因素(静电效应和空间效应)共同作用控制反应的立体选择性,但在不同的催化剂体系中,催化剂的结构会影响这两种效应之间的作用方式,从而导致不同的反应立体选择性。(3) Brensted酸催化喹啉氢转移反应的机理研究：近年来,催化转移加氢法越来越多地应用于不饱和化合物的加氢反应中。与传统的加氢反应相比,这种方法不需要高浓度的氢气作为氢源,因而具有反应温和、安全性高和对设备要求低等优点。虽然这个方法在酮和亚胺等许多不饱和化合物的加氢反应中取得了很好的效果,但在芳香族和杂环化合物加氢方面的应用还比较少。最近,试验上发现Brensted酸能够有效的催化喹啉氢转移反应,但反应的机理目前还不清楚。反应存在两种可能的反应路径：先1,4号位加氢再2,3号位加氢(1,4-2,3)和先1,2号位加氢再3,4号位加氢(1,2-3,4)。实验上没有给出确定反应机理的足够信息。因此本文采用密度泛函理论方法(DFT)方法对布朗斯特酸(Brφnsted acid)不对称催化喹啉氢转移反应两种可能的催化机理进行了计算。结果表明Brφnsted酸与反应物通过氢键形成的三元分子络合物网络结构有利于氢的转移,并倾向于通过“1,4-2,3”机理进行反应。本文的创新点主要表现在以下三个方面：1.系统地研究了N-杂环卡宾不对称催化Staudinger反应的机理,确定了“先烯酮”机理为最可能的反应路径,即卡宾催化剂首先与烯酮反应,生成的两性离子中间体再与亚胺反应得到最终的产物；并且反应的机理不会随着亚胺取代基的改变而改变。另外,因为催化剂N-杂环卡宾是典型的亲电试剂,因此我们认为由此体系得到的关于反应机理的结论同样适用于其他亲电试剂催化的Staudinger反应。2.在第一章结论的基础上对N-杂环卡宾不对称催化Staudinger反应的立体选择性进行了深入研究,发现中问体“催化剂-烯酮”与亚胺之间的反应决定了产物的立体选择性；二者反应过程中存在两种影响反应立体选择性的因素(静电效应和空间效应),不同的催化剂的结构会影响这两种效应之间的作用方式,从而导致不同的反应立体选择性。3.系统地研究了Brφnsted酸催化喹啉氢转移反应的机理,确定了先1,4号位加氢再2,3号位加氢(“1,4-2,3”)的反应机理,并且发现Brφnsted酸与反应物通过氢键形成的三元分子络合物网络结构有利于氢的转移。

全文目录

目录  5-9
摘要  9-12
ABSTRACT  12-15
第一章绪论  15-40
  1、不对称催化反应概述  15-17
  2. 选题背景  17-24
    2.1 N-杂化卡宾不对称催化Staudinger反应研究  17-22
    2.2 Brφnsted酸不对称催化喹啉加氢反应研究  22-24
  3、研究进展  24-29
  4、研究方法  29-31
  5、本论文的主要工作  31-33
  参考文献  33-40
第二章 N-杂环卡宾催化的Staudinger反应研究:β-内酰胺的形成机制  40-62
  1 引言  40-43
  2.模型建立与计算方法  43-44
  3 结果与讨论  44-51
    3.1 计算模型  44-45
    3.2 反应机理的讨论  45-51
  4 结论  51-52
  附录  52-58
  参考文献  58-62
第三章 N-杂环卡宾催化合成β-内酰胺的立体选择性研究  62-78
  1. 引言  62-63
  2.建模背景及计算细节  63-64
  3. 结果与讨论  64-71
    3.1 模型建立及预测结果的概况  64-66
    3.2 立体选择性原因的讨论  66-71
  4 结论  71-73
  附录  73-75
  参考文献  75-78
第四章布朗斯特酸催化的喹啉加氢反应研究  78-90
  1. 引言  78-83
  2. 计算细节  83
  3. 结果与讨论  83-86
    3.1 1,4-2,3加氢反应机理  83-85
    3.2 1,2-3,4加氢反应机理  85-86
  4 结论  86-87
  参考文献  87-90
致谢  90-91
博士期间发表的论文  91-92
外文论文  92-120
学位论文评阅及答辩情况表  120

不对称有机催化合成反应机理研究

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