鈷催化不對稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機理研究

1、學院(部)材料與化學化工學部題 目鈷催化不對稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮目錄第一章 緒論.3 1.1課題意義3 1.2立題思想3 1.3過渡金屬催化劑3第二章 理論基礎(chǔ).42.1密度泛函理論 (DFT)42.2過渡態(tài)理論52.3量子化學軟件5第三章 鈷催化不對稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機理研究.6 3.1 反應(yīng)背景.63.2 計算方法.73.3反應(yīng)機理.7 3.3.1醛基脫氫過程.8 3.3.2碳碳雙鍵加氫過程.9 3.3.3分子內(nèi)成四元環(huán)過程.9參考文獻.10致謝.12鈷催化不對稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機理研究摘要：大多數(shù)分子內(nèi)加氫酰化反應(yīng)優(yōu)先生成環(huán)戊酮而不是環(huán)丁酮。 其中有兩個例外，它們都使用Rh催化帶有甲氧基指導(dǎo)

2、基團的底物，通過氧化加成活化醛C-H鍵以生成酰基金屬氫化物中間體。然后烯烴插入該中間體，生成六元和五元金屬環(huán)。 一般來說，六元金屬環(huán)易發(fā)生還原消除，在熱力學和動力學上有利于產(chǎn)生環(huán)戊酮產(chǎn)物。此外，實現(xiàn)五元金屬環(huán)的還原消除是具有挑戰(zhàn)性的。 本次研究中涉及到利用過渡金屬（Co）生成四元環(huán)，顛覆了加氫酰化反應(yīng)的通常區(qū)域選擇性。本文應(yīng)用密度泛函理論(DFT) (B3LYP/6-31G(d), 去尋找可能存在的過渡態(tài)、中間體，通過理論計算研究了鈷催化不對稱反應(yīng)生成環(huán)丁酮的機理。計算結(jié)果表明，首先鈷配合物催化劑與底物發(fā)生碳碳雙鍵配位作用，然后醛基中的碳氫鍵斷裂，碳碳雙鍵加氫，最終鈷配合物催化劑從體系中分離，

3、生成四元環(huán)的過程很有可能是該反應(yīng)的機理。關(guān)鍵詞：加氫酰化反應(yīng)；過渡金屬鈷催化劑；密度泛函理論AbstractMost intramolecular hydroacylation provide exclusive access to cyclopentanones in preference to cyclobutanones. However, there are two exceptions, both of which use substrates bearing a methoxy-directing group under Rh catalysis to activate aldeh

4、yde CH bonds through oxidative addition to form an acyl-metal-hydride intermediate . From this intermediate, olefin insertion results in an equilibrium mixture of the six- and five-membered metallacycles. In general, reductive elimination from six-membered metallacycles is thermodynamically and kine

5、tically favored to generate the less strained cyclopentanone product. Moreover, achieving reductive elimination from a five-membered metallacycle is challenging.Rather than relying on a precious metal, we propose using a transition metal (Co) to overturn the usual regioselectivity of hydroacylation

6、to favor the four-membered ring. In this article, density functional theory (DFT) (B3LYP/6-31G(d) was used to find possible transition states and intermediates. The mechanism of cobalt catalysis for enantioselective cyclobutanone construction was studied by theoretical calculations. Based on theoret

7、ical analysis,first, the cobalt catalyst first has a carbon-carbon double bond coordination with the substrate, then the C-H bond in the aldehyde group is broken, the carbon-carbon double bond is hydrogenated, and finally the cobalt complex catalyst is separated from the system to form a four-member

8、ed ring. This pathway may be the mechanism of cobalt catalysis for enantioselective cyclobutanone construction.Keywords：Intramolecular hydroacylation，Cobalt catalyst，Density functional theory.第一章 緒論1.1 課題意義加氫酰化 1是通過醛類化合物與炔烴或烯烴發(fā)生反應(yīng)生成酮，該反應(yīng)是實現(xiàn)C-C、C-H鍵活化的一種重要方法2，同時也是增長碳鏈的重要有機合成方法。在反應(yīng)過程中，需要某些特定的過渡金屬催化劑來參

9、與，主要涉及金屬試劑對C-H鍵氧化加成，生成金屬化合物，以及之后對不飽和鍵的插入、還原消除，最終得到加氫酰化的產(chǎn)物。羰基化合物在科學研究、醫(yī)藥應(yīng)用、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域已經(jīng)具有了非常廣泛的用途，可以說與我們的生活息息相關(guān)。因此，能夠開發(fā)出更多的、有實用性的有機合成新反應(yīng)、新方法，進而有效地、高效地合成羰基化合物，就成為了有機化學合成中一個非常重要的研究領(lǐng)域，這在工業(yè)合成領(lǐng)域也有著實際的應(yīng)用價值。1.2 立題思想實驗上發(fā)現(xiàn)，Rh和Co均通過氧化加成活化醛C-H鍵，來生成?；饘贇浠镏虚g體。 13然后讓烯烴插入該中間體，以生成六元和五元含金屬的環(huán)。 一般來說，六元金屬環(huán)易還原消除，在熱力學和動力學上有

10、利于產(chǎn)生環(huán)戊酮產(chǎn)物。但是最近，Vy M. Dong的課題組報道了一篇文章，是有關(guān)過渡金屬鈷催化生成環(huán)丁酮的分子內(nèi)加氫?；磻?yīng)，此反應(yīng)具有很高的區(qū)域選擇性。4對于此反應(yīng)的詳細機理，我們進行了理論計算的研究。1.3 過渡金屬催化劑近年來，科學家們在過渡金屬催化的C-H官能化方面已經(jīng)取得了相當大的進展， C-H官能化可以顯著簡化藥物、天然產(chǎn)物、農(nóng)用化學品、聚合物和原料商品化學品的合成過程。然而直到最近，大部分催化C-H官能化的方法仍是通過使用貴重的第二和第三系列過渡金屬。所以開發(fā)擁有更豐富儲存量的第一過渡金屬絡(luò)合物的催化劑，成為了非常有吸引力的替代方案。第一個鈷催化的加氫酰化反應(yīng)是由Vinograd

11、ov5和后來的Brookhart67發(fā)現(xiàn)的，該反應(yīng)在溫和的反應(yīng)條件下進行，催化劑用量低，產(chǎn)率極高，這也使人們看到了環(huán)境友好的鈷配合物催化劑所具有的巨大應(yīng)用潛力。第二章 理論基礎(chǔ)引言量子化學開始于Heitler和London處理氫分子中的共價鍵時。量子理論的發(fā)展使得量子化學目前正成為化學結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)以及廣大化學家的有力研究工具。理論和實驗在科學研究上探討分子體系方面的結(jié)合使整個化學領(lǐng)域發(fā)生巨大變革和進步，從此現(xiàn)代化學不再是純實驗學科?，F(xiàn)今在有機化學的研究中，研究人員常常將理論計算于實驗相結(jié)合，通過理論計算得到反應(yīng)的機理，或者幫助完成溶劑化篩選，甚至能輔助找出試驗中存在的問題。8這樣在節(jié)約藥品的

12、同時，也提升科研效率。隨著計算化學的計算方法及軟件的不斷發(fā)展進步，理論計算必將在化學研究上日益發(fā)揮巨大作用。2.1 密度泛函理論密度泛函理論（DFT）的基礎(chǔ)可以追溯到20世紀20年代的Thomas和Fermi的研究，但是在20世紀60年代Hohenberg，Kohn和Sham的研究之后，特別是在20世紀90年代早期出現(xiàn)了B3LYP，9DFT的廣泛應(yīng)用已被實現(xiàn)。密度泛函理論（DFT）在過去的幾十年中已經(jīng)成為模擬化學系統(tǒng)的強大方法。 DFT是圍繞電子系統(tǒng)的能量可以用其電子概率密度來定義的前提而建立的。對于包含n個電子的系統(tǒng)，（r）表示空間r中特定點處的總電子密度。根據(jù)DFT形式，電子能量E被認為是

13、電子密度E 的函數(shù)，對于給定的函數(shù)（r）對應(yīng)于單個能量，即系統(tǒng)的電子密度與其能量之間一一對應(yīng)存在?？紤]以下因素，可以最好地說明基于波函數(shù)概念的密度泛函理論的優(yōu)點：對于包含n個電子的系統(tǒng)，如果包含自旋，其波函數(shù)將具有每個電子三個坐標和每個電子多一個坐標，即總共4n坐標，而電子密度僅取決于三個坐標，與構(gòu)成系統(tǒng)的電子數(shù)量無關(guān)。因此，盡管波函數(shù)的復(fù)雜性會隨著電子數(shù)量的增加而增大，但電子密度的變量保持數(shù)量不變，與系統(tǒng)大小無關(guān)。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)正常情況下是無法從電子密度中“恢復(fù)”出波函數(shù)的，因為從波函數(shù)到電子密度的過程中，會丟失掉大量的信息。但是密度泛函理論（DFT）卻擁有不一樣的結(jié)果：從波函數(shù)，Gre

14、en函數(shù)，密度矩陣到密度，至少對于只是基態(tài)的情形下，它并沒有丟失什么信息。這說明了密度泛函理論已經(jīng)將3N維波函數(shù)問題簡化成了粒子密度問題，這是一種基于量子力學的從頭算理論。2.2 過渡態(tài)理論過渡態(tài)理論（TST）是在1935年由M.波拉尼和A.G.埃文斯所提出的，它解釋了基本化學反應(yīng)的反應(yīng)速率。該理論假設(shè)反應(yīng)物與活化過渡態(tài)配合物之間存在一種特殊的化學平衡（準平衡）。過渡態(tài)理論主要用于定性地了解化學反應(yīng)如何發(fā)生。由于絕對反應(yīng)速率的計算需要對勢能面的精確了解，過渡態(tài)理論在計算絕對反應(yīng)速率常數(shù)的初始目標方面并不成功，但是對于速率常數(shù)已經(jīng)通過實驗確定的特定反應(yīng)，在計算其標準活化焓，標準活化熵和標準吉布斯

15、活化能方面獲得了成功。 過渡態(tài)理論背后的基本思想如下：（1）反應(yīng)速率可以通過檢查勢能面的鞍點附近的活化絡(luò)合物來研究。 這些絡(luò)合物形成的細節(jié)并不重要。 鞍點本身被稱為過渡態(tài)。（2）活化的絡(luò)合物與反應(yīng)物分子處于特定的平衡（準平衡）。（3）活化的絡(luò)合物可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，動力學理論可以用來計算這種轉(zhuǎn)化率。過渡態(tài)理論也被稱為“活化絡(luò)合物理論”，“絕對速率理論”和“絕對反應(yīng)速率理論”。2.3 量子化學軟件量子化學軟件的設(shè)計思路在于將復(fù)雜的量子化學計算過程程序化，從而達到方便人們使用、提高運算效率并且具有較強的普適性的目的10。根據(jù)研究對象的不同可將計算軟件進行分類：對于有限尺度體系（分子、團簇等）有Gaus

16、sian、ADF、Dalton、EHMO、Gamess、MOPAC等量子化學軟件；對于無限周期重復(fù)體系（固體、晶體表面、鏈狀聚合物等）有NNEW3、Wien 、VASP、Crystal等量子化學軟件。本課題采用的是Gaussian程序來研究有機化學反應(yīng)的機理。Gaussian軟件的功能十分強大，它可以完成子構(gòu)型的幾何優(yōu)化，分單點能，分子軌道，原子電荷電勢，紅外光譜和拉曼光譜，熱力學性質(zhì)，模擬溶劑化影響等計算任務(wù)。第三章 反應(yīng)的理論研究3.1 文獻背景過渡金屬催化的加氫酰化反應(yīng)的過程，一般包括醛分子的C-H鍵先活化進入到金屬中心，然后生成?；饘贇浠铮又伙柡蜔N插入生成?；饘偻榛衔?，最

17、后經(jīng)過還原消除生成酮類化合物并且金屬催化劑從體系中分離。一般來說，在熱力學和動力學上有利于產(chǎn)生環(huán)戊酮產(chǎn)物。但是，有兩個例外，它們都使用Rh催化帶有甲氧基指導(dǎo)基團的底物，11如（圖3.1）所示。圖3.1銠催化形成環(huán)丁酮和環(huán)戊烯酮的反應(yīng)本次研究中并不依賴過渡金屬（Rh），而是利用過渡金屬（Co）生成四元環(huán)，來推翻加氫?；磻?yīng)的通常區(qū)域選擇性。3.2 計算方法本文所有的計算均使用密度泛函理論中的B3LYP方法12。計算模型中碳、氫、氧、磷非金屬原子使用6-31G(d)基組13，鈷原子使用的是LANL2DZ基組14。我們使用SMD溶劑化模型15考慮了溶劑化效應(yīng)。溶劑化下單點能的計算對鈷原子使用的是SD

18、D16贗勢基組，其他非金屬原子使用的是6-311+G(d,p)基組。本文均采用Gaussian 0917來優(yōu)化幾何構(gòu)型和計算能量。3.3反應(yīng)機理圖3.2鈷催化生成環(huán)丁酮反應(yīng)機理圖在鈷催化作用下對映選擇性環(huán)丁酮的構(gòu)建反應(yīng)中，我們以(S,S)- (BDPP)配位的鈷為催化劑模型，我們決定用鈷(0)配合物作為催化劑進行反應(yīng)機理驗證，這是因為含有氯原子的鈷()配合物在金屬Zn的還原作用下會得到鈷(0)配合物，且該簡化會使計算過程更加高效。經(jīng)過我們的計算分析可知，該反應(yīng)路徑大致要經(jīng)過三個過渡態(tài)，對應(yīng)醛基拔氫過程、碳碳雙鍵加氫過程以及分子內(nèi)成四元環(huán)過程三個反應(yīng)過程。下面依次對三個反應(yīng)過程進一步描述討論。圖

19、3.3鈷催化生成環(huán)丁酮的能壘圖G(kcal/mol)cat+rea0.00INT11.71INT2-8.30INT3-19.16TS118.46TS2-8.03TS30.97pro+cat-17.98表3.1鈷催化生成環(huán)丁酮反應(yīng)的吉布斯自由能G(kcal/mol)3.3.1醛基脫氫過程醛基脫氫過程首先需要鈷(0)配合物催化劑與底物發(fā)生碳碳雙鍵配位作用，該雙鍵配位表述如下：碳碳雙鍵的鍵電子進入鈷原子的空軌道，鈷原子與兩個碳碳雙鍵的鍵分別配位，形成一個分子內(nèi)含有以底物分子作為螯合配體的過渡金屬鈷配合物。該過程形成物需要吸收1.71 kcal/mol的能量，比較容易進行。然后該鈷配合物中的鈷原子與醛

20、基中的C-H鍵發(fā)生氧化加成，形成以C原子、鈷原子和氫原子為中心的三中心過渡態(tài)TS1，該鈷配合物形成過渡態(tài)TS1需要克服16.75 kcal/mol的能壘，最終C-H鍵破裂，H原子和羰基C原子分別與鈷原子鍵連，形成一個配位數(shù)為六的鈷配合物中間體INT2，并釋放26.76 kcal/mol的能量。 催化劑 INT1 TS1 INT23.3.2 碳碳雙鍵加氫過程該過程是醛基脫氫過程的產(chǎn)物六配位鈷配合物中間體進行的后續(xù)反應(yīng)。該過程的能壘非常之低，為0.27 kcal/mol，故該過程非常容易進行。它的大致過程為與鈷原子鍵連的H原子鍵長拉長同時H原子與該鈷配合物中間體的其中一個碳碳雙鍵端位C原子作用，而

21、鈷原子則與碳碳雙鍵遠離端位的C原子作用加強，最終H原子加到原碳碳雙鍵上，而鈷原子與碳碳雙鍵遠離端位的C原子形成單鍵。該過程導(dǎo)致原來的六配位鈷配合物中間體變成五配位鈷配合物中間體，即為INT3所示分子結(jié)構(gòu)。TS2 INT33.3.3 分子內(nèi)成四元環(huán)過程INT3再經(jīng)歷一分子內(nèi)成環(huán)過渡態(tài)最后即可生成最終產(chǎn)物。其過程是：鈷原子與羰基C原子鍵合作用減弱，鍵長拉伸，由 1.92 Å拉伸至1.97 Å，且Co-C單鍵削弱，鍵長拉伸，由2.04 Å拉伸至2.35 Å；而羰基C原子與Co-C單鍵中的C原子距離縮短，相互作用加強，形成一個與TS1類似的三中心過渡態(tài)TS3。該

22、過渡態(tài)最終結(jié)果是鈷原子與兩個C原子的鍵合作用均削弱，并從體系中分離，還原成原來的鈷(0)配合物催化劑。而羰基C原子與原來Co-C單鍵中的C原子鍵合作用加強，形成一個C-C單鍵，其最終產(chǎn)物即是環(huán)丁酮化合物。該成環(huán)過程經(jīng)歷的TS3過渡態(tài)需要INT3吸收20.13 kcal/mol的能量，可知該過程在三個過程中能壘最高，是整個反應(yīng)的決定步驟。而該反應(yīng)從整體來看易于進行，故這條計算途徑很有可能是該鈷催化構(gòu)建對映選擇性環(huán)丁酮反應(yīng)的機理。 TS3 產(chǎn)物參考文獻1 Willis, M. C. Chem. Rev. 2010, 110, 725.2 (a) Newhouse, T.; Baran, P. S.

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25、ogradov, M. G.; Tuzikov, A. B.; Nikishin, G. I.; Shelimov, B. N.; Kazansky, V. B. J. Organomet. Chem.1988, 348, 123 134 .6 (a) Lenges, C. P.; Brookhart, M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 3165&

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