亮氨酸衍生物催化的不对称水相Aldol反应理论计算研究

论文摘要

有机水相化学反应对有机化学家来说并不陌生,但是至今大多数有机化学反应仍然只有在有机溶剂中才能发生,用水做溶剂时反应却不能很好地进行。最近我们报道了L-亮氨酸氨基醇酰胺催化的直链酮与醛的顺式水相Aldol反应。在该研究中发现,利用水作为溶剂不仅能够加快反应速度,还能提高反应的选择性。如今量子计算化学已经成为研究化学问题的一个重要工具,借助它可以解释一些目前在实验手段下无法验证,难以说明的化学现象。为了研究有机小分子如L-亮氨酸衍生物催化的直链酮与醛的水相aldol反应机理以及水是如何影响反应速率和增加反应的选择性,我们利用了密度泛函理论（DFT）对这些问题进行了探讨和研究。众所周知,有机小分子氨基酸及其衍生物催化的Aldol反应包括烯胺形成和C-C键的加成。烯胺形成时又包括催化剂与醛加成得到α-氨基醇中间体、脱水成亚胺和亚胺-烯胺互变三个过程。通过理论计算,在无水条件下烯胺形成过程中三个步骤能垒都比较高,并有可能阻止Aldol反应的顺利进行。在实验中我们利用水做溶剂并可以加速反应,所以我们在烯胺形成和C-C键形成中都考虑了水的影响。利用水作为传递质子在烯胺形成过程中能大大降低能垒,并且得出催化剂上双氢键能很好稳定其中过渡态。在C-C键形成时,水通过与底物在界面上形成氢键也能降低这一步的活化能,并能给出很好的选择性。烯胺形成的能垒远远高于C-C键形成的能垒,这说明烯胺形成是整个反应的速决步,与动力学实验室结果是一致的。计算结果与实验能很好的吻合,对有机小分子催化的不对称水相Aldol反应中水对反应的影响的理论研究可以揭示自然界中某些脱水酶的作用机制。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 水相有机反应综述
• 1.2.1 水相Diels-Alder 反应
• 1.2.2 水相1,3-偶极环加成反应
• 1.2.3 水相偶氮二甲酸酯的加成反应
• 1.2.4 水相Claisen 重排反应
• 1.2.5 水相Passerini 和Ugi 反应
• 1.2.6 水相三元环开环反应
• 1.2.7 有机小分子催化水相Aldol 反应
• 1.2.8 有机水相其他反应
• 1.3 有关水相有机反应的理论解释
• 1.4 量子化学计算方法简介
• 1.4.1 量子化学研究意义
• 1.4.2 量子化学基本原理
• 1.4.3 量子化学基本计算方法
• 1.4.4 基组函数
• 1.4.5 过渡态理论
• 参考文献
• 第二章 亮氨酸衍生物催化水相不对称 Aldol 反应理论计算
• 2.1 课题的设计与提出
• 2.2 烯胺形成
• 2.2.1 催化剂和底物结构优化
• 2.2.2 无水条件下生成烯胺
• 2.2.3 有水条件下生成烯胺
• 2.3 C-C 键形成
• 2.3.1 无水条件下 C-C 键形成
• 2.3.2 一分子水与醛和胺形成氢键时 C-C 键形成反应
• 2.3.3 一分子水与酰胺氧成氢键时 C-C 键形成
• 2.3.4 两分子水作用时C-C 键形成
• 2.3.5 一分子水与末端羟基形成氢键时 C-C 键形成
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 实验部分
• 3.1 计算方法
• 3.2 3-戊酮不同构象能量比较
• 3.3 无水条件下催化剂与 3-戊酮形成复合物不同构象能量比较
• 3.4 有水条件下催化剂与 3-戊酮形成复合物不同构象能量比较
• 3.5 无水条件下不同亚胺构象能量比较
• 3.6 无水条件下亚胺-烯胺互变过渡态不同构象能量比较
• 3.7 有水条件下不同亚胺构象能量比较
• 3.8 有水条件下亚胺-烯胺互变过渡态不同构象能量比较
• 3.9 C-C 键形成时的复合物比较
• 3.10 计算原始数据
• 参考文献
• 附录:攻读硕士期间完成的学术论文
• 致谢