氮雜環(huán)卡賓催化極性反轉(zhuǎn)反應(yīng)的相關(guān)理論研究.pdf

1、近年來，氮雜環(huán)卡賓催化的極性反轉(zhuǎn)反應(yīng)受到人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)有機催化不同，氮雜環(huán)卡賓能夠反轉(zhuǎn)底物（醛）的極性，使其具有相反的反應(yīng)性，如將親電試劑轉(zhuǎn)化為親核試劑。目前該策略已廣泛應(yīng)用于1，2-、1，4-及1，6-雙官能團化合物的合成。本論文系統(tǒng)地對該類反應(yīng)中存在的一些問題進行了理論研究，主要內(nèi)容如下:
　　(1)催化劑、底物和活性中間體的反應(yīng)性。氮雜環(huán)卡賓催化的極性反轉(zhuǎn)反應(yīng)包含兩個基本步驟，即催化劑與底物結(jié)合形成極性反轉(zhuǎn)的活性中間

2、體和活性中間體與另一分子底物加成形成產(chǎn)物（或產(chǎn)物前軀體）。從理論上系統(tǒng)探討催化劑、底物和活性中間體的反應(yīng)性的相對強弱，有助于理解該類反應(yīng)的化學(xué)選擇性和實驗上選擇催化劑和底物。該部分內(nèi)容通過比較模型反應(yīng)的能壘系統(tǒng)地考查了催化劑的親核性、底物的親電性以及活性中間體的親核性。對于催化劑，我們考慮了噻唑、三唑、咪唑、咪唑啉及二酰胺卡賓;對于底物，我們考慮了芳香醛、脂肪羰基化合物、烯烴及亞胺;而對于活性中間體，我們考慮了催化劑與底物的不同組合。經(jīng)

3、大量的數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)能壘與反應(yīng)物前線軌道的能量及反應(yīng)位點對前線軌道的貢獻(xiàn)(AC)之間存在必然聯(lián)系。也即，LUMO軌道的能量越低，親電性越強;HOMO軌道的能量越高，親核性越強;AC值越大，反應(yīng)性（親電性和親核性）越強。一般而言，含有π電子的取代基能夠降低LUMO軌道的能量，升高HOMO軌道的能量，同時會使得AC值減少，所以其對反應(yīng)性影響視具體情況而定;含孤對或σ電子的取代基升高LUMO軌道的能量，而對AC值影響較小，所以不利于親

4、電性;含有空d軌道的取代基降低LUMO軌道的能量，而對AC值影響較小，所以有利于親電性。
　　(2)高烯醇反應(yīng)和烯醇反應(yīng)的化學(xué)選擇性。對相應(yīng)活性中間體的相對穩(wěn)定性和反應(yīng)性進行了研究以便理解化學(xué)選擇性，考慮了催化劑、底物、溶劑效應(yīng)和酸的影響。高烯醇中間體（對應(yīng)于高烯醇反應(yīng)）的穩(wěn)定性普遍低于烯醇負(fù)離子中間體（對應(yīng)于烯醇反應(yīng)），而前者的反應(yīng)性高于后者。對于不同的催化劑，高烯醇中間體相對于烯醇中間體的穩(wěn)定性順序為:噻唑卡賓A＞咪唑啉卡賓D

5、＞三唑卡賓B＞咪唑卡賓C。底物的β-取代有利于高烯醇中間體的穩(wěn)定性，順序為:?；痉蓟就榛?而底物的α-取代不利于高烯醇中間體的穩(wěn)定性。溶劑效應(yīng)能穩(wěn)定具有雙離子特征的烯醇負(fù)離子中間體，且溶劑極性越大，該中間體越穩(wěn)定。酸能通過氫鍵與活性中間體形成復(fù)合物，烯醇負(fù)離子中間體與酸的結(jié)合能力強于高烯醇中間體，所以酸提升了前者的相對穩(wěn)定性，且酸性越強，相對穩(wěn)定性越高。另一方面，反應(yīng)性與穩(wěn)定性此消彼長，且上述因素對穩(wěn)定性的影響大于對反應(yīng)性的影響。所

6、以，調(diào)控化學(xué)選擇性得從活性中間體的穩(wěn)定性入手，噻唑卡賓、底物的β-取代、小極性溶劑和強堿（對應(yīng)于弱的共軛酸）有利于高烯醇反應(yīng)，而咪唑卡賓、底物的α-取代、大極性溶劑和弱堿（對應(yīng)于強的共軛酸）有利于烯醇反應(yīng)。另外，由于烯醇負(fù)離子中間體的反應(yīng)位點更靠近于催化劑端，大位阻的催化劑往往不利于烯醇反應(yīng)。
　　(3)原位產(chǎn)生的酸對安息香縮合反應(yīng)催化循環(huán)的影響。對于絕大多數(shù)反應(yīng)，氮雜環(huán)卡賓由唑鹽在堿的作用下原位產(chǎn)生，并伴隨著等量的酸形成。然而，

7、相關(guān)的理論計算往往忽略了該酸的作用。在這里我們考查了原位產(chǎn)生的酸對安息香縮合反應(yīng)催化循環(huán)的影響。計算結(jié)果表明該酸主要有4個方面的作用:①通過質(zhì)子化作用穩(wěn)定了卡賓與底物的直接加成物;②通過質(zhì)子化-去質(zhì)子化作用促進了質(zhì)子遷移，有利于活性中間體的形成;③通過質(zhì)子化作用抑制了氫負(fù)遷移，不利于非活性的酮式中間體的形成;④通過氫鍵作用活化了親電試劑，降低了親核加成步驟的反應(yīng)能壘。
　　(4) Stetter反應(yīng)中手性質(zhì)子化構(gòu)筑α-位立體中心的

8、機理研究。Stetter反應(yīng)是指醛對Mickael授體的加成，原則上可以同時構(gòu)筑α-和β-位的立體中心，而質(zhì)子化構(gòu)筑α-位立體中心相對比較困難。在這里，我們對最近報道的Stetter反應(yīng)合成α-手性氨基酸衍生物的機理進行了研究。首先通過簡化的非手性催化劑對反應(yīng)過程進行了模擬。結(jié)果表明質(zhì)子化過程受到碳-碳鍵形成過程的誘導(dǎo)，立體構(gòu)型實際上在碳-碳鍵的形成過程中已經(jīng)確定，同時碳-碳鍵的形成也是決速步驟。因此，對于真實的手性催化劑只需考慮碳-碳

9、鍵的形成過程。計算結(jié)果表明底物的N-乙酰基對立體選擇性起著決定性作用，預(yù)測的對映選擇性與實驗相吻合。
　　此外，我們亦對鋅催化的炔烴氧化與碳-氫官能團化串聯(lián)反應(yīng)的機理與化學(xué)選擇性進行了探討。密度泛函計算表明鋅催化的炔烴氧化/碳-氫官能團化歷經(jīng)Friedel-Crafts類型的反應(yīng)途徑。對不同的氧化劑，碳-氫官能團化對過度氧化的化學(xué)選擇性順序為:2，6-二溴吡啶氮氧化物＞2-溴吡啶氮氧化物＞吡啶氮氧化物，與親核性順序相反。相比于分子