NHC催化烯酮和碳氧雙鍵[2+2]環(huán)加成反應(yīng)形成β-內(nèi)酯的理論研究.pdf

1、有機(jī)雜環(huán)小分子β-內(nèi)酯，不僅是合成可生物降解聚合物等復(fù)雜分子的原料，還是一系列有顯著藥理學(xué)活性的天然產(chǎn)品的核心結(jié)構(gòu)，因此β-內(nèi)酯的合成及應(yīng)用吸引了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。在實(shí)驗(yàn)室中大量的β-內(nèi)酯被合成并作為反應(yīng)中間體應(yīng)用于材料科學(xué)和有機(jī)合成等領(lǐng)域。通常情況下，β-內(nèi)酯主要是從烯酮類化合物和含碳氧雙鍵化合物的[2+2]環(huán)加成反應(yīng)中得到。由于[2+2]環(huán)加成的合成方法在有機(jī)化學(xué)中有著廣泛應(yīng)用，烯酮類化合物的[2+2]環(huán)加成反應(yīng)同樣也受到計(jì)算

2、化學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和深入研究。
　　在本論文中，我們研究了芳基烷基乙烯酮和碳氧雙鍵的醛類化合物在N-雜環(huán)卡賓(NHC)催化下的[2+2]環(huán)加成反應(yīng)生成β-內(nèi)酯的反應(yīng)機(jī)理及立體選擇性。我們對(duì)可能的反應(yīng)機(jī)理用密度泛函理論(DFT)進(jìn)行了研究。所有的反應(yīng)物、過渡態(tài)、中間體及產(chǎn)物的幾何構(gòu)型都是在甲苯溶劑（IEFPCM溶劑化模型）中和M06-2X/6-31G(d，p)水平下進(jìn)行優(yōu)化的，并在相同水平下對(duì)所有構(gòu)型進(jìn)行了頻率計(jì)算。隨后，我們用在上

3、述水平優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)在M06-2X/6-311+G(d，p)水平下進(jìn)行了單點(diǎn)能校正，本論文中所用的能量為M06-2X/6-311+G(d，p)水平下的單點(diǎn)能和M06-2X/6-31G(d，p)水平下的零點(diǎn)能矯正值之和。
　　我們選取芳基烷基乙烯酮和缺電子的2-硝基苯甲醛作為計(jì)算模型設(shè)計(jì)和研究了兩種不同的反應(yīng)機(jī)理（反應(yīng)機(jī)理A和B）。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的研究和比較，我們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)機(jī)理A較占優(yōu)勢(shì)。反應(yīng)機(jī)理A包括三個(gè)步驟:首先是NHC親核進(jìn)攻芳基

4、烷基乙烯酮形成烯醇兩性離子中間體，第二步是兩性離子中間體和缺電子的2-硝基苯甲醛進(jìn)行[2+2]環(huán)加成反應(yīng)形成中間體，最后是NHC從中間體上脫去重新進(jìn)入循環(huán)反應(yīng)，與此同時(shí)得到產(chǎn)物p-內(nèi)酯。值得注意的是，反應(yīng)機(jī)理A的[2+2]環(huán)加成反應(yīng)這一步，形成了兩個(gè)手性碳原子（C3和C4）由此得到4種不同構(gòu)型的中間體(SS，RR,SR&RS)。同樣，這一步還是整個(gè)反應(yīng)的決速步和立體選擇性決定步驟，其反應(yīng)能壘分別為15.88/19.68/13.58/17

5、.07kcal/mol(SS，RR,SR&RS)。經(jīng)過計(jì)算與對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)得到SR構(gòu)型的反應(yīng)路徑是能量最占優(yōu)勢(shì)的反應(yīng)路徑，同時(shí)這與實(shí)驗(yàn)得到的SR構(gòu)型是產(chǎn)物主要構(gòu)型的結(jié)果相符。
　　反應(yīng)機(jī)理B同樣包括三個(gè)步驟:首先，NHC和缺電子的2-硝基苯甲醛結(jié)合形成中間體，其次，中間體上的O5原子和芳基烷基乙烯酮上的C2原子形成單鍵，最后在中間體上發(fā)生SN2親核取代反應(yīng)，經(jīng)由過渡態(tài)得到分離的β-內(nèi)酯和NHC，在這一步中，C4和C3形成單鍵的同時(shí)

6、C1-C2鍵斷裂，從而使催化劑NHC從中間體中脫去，并得到產(chǎn)物β-內(nèi)酯。反應(yīng)機(jī)理B中，第三步反應(yīng)能壘分別為32.23/29.69/28.45/27.06kcal/mol(SS，RR,SR&RS)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反應(yīng)的第一步和第二步，因此我們認(rèn)為這一步是反應(yīng)機(jī)理B的決速步，同時(shí)這一步的反應(yīng)能壘也遠(yuǎn)高于機(jī)理A決速步的反應(yīng)能壘，由此我們可知反應(yīng)機(jī)理A比機(jī)理B在能量上更占優(yōu)勢(shì)。全局反應(yīng)指標(biāo)的分析也很好的闡述了催化劑NHC在[2+2]環(huán)加成反應(yīng)中所起的