雙功能有機(jī)小分子催化不對(duì)稱合成反應(yīng)的理論研

《雙功能有機(jī)小分子催化不對(duì)稱合成反應(yīng)的理論研》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、雙功能有機(jī)小分子催化不對(duì)稱合成反應(yīng)的理論研雙功能有機(jī)小分子催化不對(duì)稱合成反應(yīng)的理論研有機(jī)催化，作為和金屬催化及酶催化具有同等地位的催化方法，因其高效性和高選擇性，成為構(gòu)建分子骨架的重要工具。目前有機(jī)合成化學(xué)的重點(diǎn)在于不對(duì)稱合成方面，主要用于制藥、材料和生物學(xué)等領(lǐng)域。近年來，新的不對(duì)稱催化反應(yīng)不斷被發(fā)現(xiàn)，高效、高選擇性和高普適性的有機(jī)催化劑不斷被研發(fā)，不對(duì)稱有機(jī)催化處于蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)期。從分子水平上研究各類不對(duì)稱有機(jī)催化反應(yīng)的機(jī)理，各種有機(jī)催化劑的活化機(jī)制，有助于了解催化反應(yīng)歷程，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，揭示催化劑結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系，進(jìn)而為

2、新型、高效催化劑的研發(fā)與修飾提供關(guān)鍵的理論指導(dǎo)。本文用理論計(jì)算方法詳細(xì)研究了雙手性類、手性雙磷化物、硫脲類雙官能團(tuán)、仲胺類雙官能團(tuán)和胍類雙官能團(tuán)五個(gè)系列有機(jī)催化劑驅(qū)動(dòng)的八種不對(duì)稱合成反應(yīng)，探討了反應(yīng)機(jī)理以及催化劑的各官能團(tuán)在催化過程中的作用機(jī)制。提出了諸多創(chuàng)新性觀點(diǎn)。具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下：首先應(yīng)用密度泛函方法對(duì)含中央手性和軸手性元素的兩種新型催化劑在催化2,4-戊二酮與硝基烯烴的不對(duì)稱Michael加成反應(yīng)時(shí)的對(duì)映選擇性控制進(jìn)行了詳細(xì)地研究。表征了產(chǎn)生（S）和（R）型Michael加合物的兩條對(duì)映選擇性反應(yīng)通道。反應(yīng)的對(duì)映選擇

3、性由第一步碳-碳鍵形成決定，第二步質(zhì)子遷移是反應(yīng)的決速步。對(duì)對(duì)映選擇性起源的初步分析表明：含有中央手性與軸手性元素的催化劑的對(duì)映選擇性水平取決于兩種不對(duì)稱元素在幾何結(jié)構(gòu)上的匹配與否。若催化劑呈現(xiàn)一種“閉合”的幾何構(gòu)型，則中央手性與軸手性元素的合作成為可能，共同起作用以提高催化劑的對(duì)映選擇性控制能力。如果催化劑呈現(xiàn)一種“敞開”的幾何結(jié)構(gòu)，則兩不對(duì)稱元素之間不可能有合作關(guān)系，所以僅由一種手性元素控制的對(duì)映選擇性最終降低。研究了硫脲-叔胺催化的硝基烯烴與氮-甲苯磺酰基亞胺的對(duì)映選擇性aza-MoritaBaylisHillman型反應(yīng)

4、的機(jī)理。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，反應(yīng)過程包括兩個(gè)基元步驟：（1）作為路易斯堿，催化劑和硝基烯烴形成的二元復(fù)合物前軀體對(duì)氮-甲苯磺?；鶃啺返挠H核加成；（2）質(zhì)子從硝基烯烴的甲基轉(zhuǎn)移到氮-甲苯磺?；鶃啺返呢?fù)電性氮上。最后是產(chǎn)物β-硝基-γ-烯胺的釋放和催化劑再生，第二步的質(zhì)子轉(zhuǎn)移為決速步。對(duì)映選擇性由催化劑的三種官能團(tuán)與底物互動(dòng)所產(chǎn)生的兩種非共價(jià)相互作用和一種弱共價(jià)相互作用的合作效應(yīng)來控制：作為路易斯堿，叔胺官能團(tuán)通過弱的共價(jià)鍵來活化硝基烯烴，這種弱共價(jià)相互作用引導(dǎo)反應(yīng)按照這條共價(jià)鍵變化較小的取向作為主要路徑來進(jìn)行；芳環(huán)官能團(tuán)通過π-π堆積相

5、互作用來活化氮-甲苯磺酰基亞胺，這種非共價(jià)相互作用選擇芳環(huán)之間的有效重疊面積改變較少的取向作為反應(yīng)的主要路徑；硫脲官能團(tuán)為主要路徑的駐點(diǎn)提供更加緊湊的氫鍵網(wǎng)。計(jì)算得到的非極性環(huán)境的二甲苯溶劑條件下ee值（97.6%）遠(yuǎn)高于二甲基甲酰胺極性溶劑環(huán)境中的ee值（27.2%），這一事實(shí)可充分證明我們的結(jié)論。研究了羥基-硫脲催化鄰-芐基羥胺與吡唑丁烯酸酯共軛胺基加成反應(yīng)的氫鍵活化機(jī)理和對(duì)映選擇性控制。對(duì)于催化劑對(duì)親電試劑和親核試劑的作用，我們提出“氫鍵活化”機(jī)理，包括可行的單活化和雙活化模型，兩種競(jìng)爭(zhēng)模式下反應(yīng)過程均是分步的。單活化模型

6、是一種對(duì)親電試劑增強(qiáng)的活化，通過親電試劑與催化劑的羥基和硫脲基團(tuán)同時(shí)相互作用實(shí)現(xiàn)。雙活化模型中，親電試劑被催化劑的硫脲基團(tuán)活化，同時(shí)親核試劑綁定到羥基上而實(shí)現(xiàn)活化，在能量上雙活化模型比單活化模型更優(yōu)越。對(duì)映選擇性起源于si面的進(jìn)攻比re面更占優(yōu)勢(shì)，這應(yīng)該歸因于決速步的C-N鍵形成時(shí)，催化劑的羥基和硫脲基團(tuán)對(duì)底物產(chǎn)生的氫鍵網(wǎng)作用。ONIOM計(jì)算所預(yù)測(cè)的ee值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性很好的支持了這種“氫鍵活化”機(jī)理。對(duì)TangPhos催化的聯(lián)二烯酯和硫醇不對(duì)稱γ加成反應(yīng)機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，沒有TangPhos，未催化的加成反應(yīng)發(fā)生在β-碳上，

7、反應(yīng)過程包括碳-硫鍵形成和從硫原子到γ-碳的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，生成β-硫酯。TangPhos催化的不對(duì)稱γ加成反應(yīng)分三步：TangPhos加成到聯(lián)二烯酯的β-碳上產(chǎn)生一個(gè)二元復(fù)合物，硫醇親核進(jìn)攻該二元復(fù)合物的γ-碳；質(zhì)子從TangPhos的磷原子轉(zhuǎn)移到聯(lián)二烯酯的的羰基氧上；再從羰基氧轉(zhuǎn)移到β-碳上，得到產(chǎn)物γ-硫酯，第一步為決速步。TangPhos的兩個(gè)磷原子位點(diǎn)對(duì)于兩底物的活化至關(guān)重要。作為親核催化劑，P2原子與聯(lián)二烯酯的β-碳形成介于單雙鍵之間的強(qiáng)共價(jià)鍵P2C2，極大地轉(zhuǎn)移了C2上的正電荷，相對(duì)增加了C3原子的親電性，使其成為γ加成

8、反應(yīng)的親電中心，反應(yīng)的區(qū)域選擇性隨之改變。作為路易斯堿，P1原子去質(zhì)子化硫醇以提高硫原子的親核性，同時(shí)還作為中介利于向β-碳的質(zhì)子轉(zhuǎn)移。反應(yīng)的對(duì)映選擇性主要由TangPhos的兩手性五元環(huán)控制，同時(shí)叔丁基官能團(tuán)與之配合起輔助作用。ER路徑是連接兩手性環(huán)的單鍵轉(zhuǎn)動(dòng)