铜催化的环加成反应和铁催化的羰基化反应的理论研究

论文摘要

本文用密度泛函理论分别对铜催化的炔基酮与重氮酯的[4+1]环加成反应和Fe（CO）5和Fe3（CO）12作为催化剂催化的炔羰基化生成琥珀酰亚胺类化合物的反应进行了机理研究。根据我们设计的两个体系中的可能反应路线循环图,采用B3LYP泛函对其中各驻点的结构进行了全优化,对重要的过渡态进行了IRC扫描以确认其合理性。通过比较反应路线中各过渡态的活化能,我们得到了反应的优势路线,确定了反应的机理,并且采用极化连续介质模型（PCM）,考虑了溶剂对反应中各物种能量的影响。1铜催化炔基酮与重氮酯的环加成反应的理论研究采用密度泛函理论的B3LYP泛函对铜催化的炔基酮与重氮酯的[4+1]环加成反应进行了理论研究。反应体系中,铜金属催化剂首先生成铜金属卡宾中间体,此步反应比较迅速,放出一分子氮气。生成的金属卡宾为缺电子基活性中间体,很容易接受电子。羰基氧和炔基都可以提供电子,因此,铜金属卡宾既可以与羰基氧作用,也可以与炔基作用。本文设计了这两种可能反应的循环图,计算结果表明,无论是在气相中还是在溶剂中,金属卡宾与羰基氧作用这条反应路径的能量较低,这表明此条反应路径占绝对优势,是较优的反应路径。卡宾与羰基氧作用后,卡宾碳原子进攻炔基端位碳原子,发生[4+1]环加成反应。最后,经过一个氢转移,脱去催化剂,得到多取代呋喃。铜催化的炔基酮与重氮酯发生[4+1]环加成反应主要由如下三个部分组成：（1）、铜卡宾的生成；（2）、[4+1]环加成反应：（3）、质子转移。另外,溶剂化效应明显地降低了各物种的相对吉布斯自由能,所有结构的溶剂化效应都是负的,反应在溶剂ClCH2CH2Cl中更容易进行。本文建议的机理合理解释了所有实验现象。2铁催化合成琥珀酰亚胺类化合物的理论研究采用密度泛函理论的B3LYP泛函对Fe（CO）5和Fe3（CO）12作为催化剂催化炔的羰基化生成琥珀酰亚胺类化合物的反应进行了理论研究。本文分别设计了Fe（CO）5和Fe3（CO）12作为催化剂催化反应的可能路线的循环图,通过对反应中各物种的电子效应、空间位阻的分析,揭示两种催化剂的催化本质。比较Fe（CO）5和Fe3（CO）12作为催化剂催化反应的能量可知,两种催化剂有着相似的催化本质,都是氨首先取代羰基与催化剂配位,然后炔分步羰基化,与催化剂配位后,氨上的氢很容易离去,转移到羰基氧原子上,经过一个氢转移的过渡态后,氮原子分别进攻羰基氧原子,生成C-N键关环。其中,氢转移的活化能最高,为反应的速控步。计算结果表明,用Fe3（CO）12作为催化剂催化效果更好。此外,在溶剂THF中,反应中间体和过渡态的能量大大降低,使得反应更加容易进行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一节 选题背景
• 1.1 过渡金属催化剂在合成中的应用
• 1.1.1 铜催化反应综述
• 1.1.2 铁催化反应综述
• 1.2 研究内容的确定
• 第二节 理论基础
• 2.1 Hartree-Fock近似
• 2.2 密度泛函理论（DFT）
• 2.3 极化连续介质模型（PCM）
• 2.4 前线轨道理论
• 第三节 铜催化炔基酮与重氮酯的环加成反应的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 金属卡宾与羰基作用
• 3.2.2 金属卡宾与炔基作用
• 3.3 结论
• 第四节 铁催化合成琥珀酰亚胺类化合物的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 5作为催化剂催化反应'>4.2.1 Fe（CO）₅作为催化剂催化反应
• 3（CO）₁₂作为催化剂催化反应'>4.2.2 Fe₃（CO）₁₂作为催化剂催化反应
• 5和Fe₃（CO）₁₂的催化机理差别'>4.2.3 Fe（CO）₅和Fe₃（CO）₁₂的催化机理差别
• 4.3 结论
• 参考文献
• 已完成论文
• 致谢