铝类卡宾促进乙烯环丙烷化反应机理的理论研究

作     者：李朝晖 

作者单位：西北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵存元;耿志远

授予年度：2007年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：密度泛函 卡宾 环丙烷 亚甲基转移 碳金属化 铝类卡宾 

摘      要：许多包含环丙烷基的天然和非天然产物都具有生物活性,而且这类化合物大量用作有机合成材料及中间体。因此,众多化学家们一直致力于探索一些新的制备环丙烷化产物的各种方法与途径。Simmons-Smith反应是1958年首次由Simmons和Smith提出并被报道的,它通常是与烯烃合成环丙烷化产物的一种很受欢迎的方法,一般多为烯烃与金属类卡宾(称为SS试剂)之间的反应,最初的SS试剂是由CHI和Zn-Cu形成的化合物,之后为了提高和发展选择性方法生产类似的活性试剂,科研工作者在这方面做了大量研究工作,许多SS类型的试剂和一些相关的类卡宾相继生产出来,其结构被认为是由CHI和一些金属原子成键形成RMCHX结构(R代表一些原子或基团,M是一些金属原子,例如Zn,Li,Sm和Al等,X代表卤素原子Cl,Br和I)。与实验相比,在这方面的理论研究相对较少,并且主要集中在Zn,Li等体系中。 本文以量子化学中的分子轨道理论为基础,利用密度泛函理论(DFT),微扰理论(MP),极化连续介质(PCM)和自然键轨道分析方法(NBO)。对所研究的体系(铝类卡宾)选择合适的基组,通过计算找出反应中各物种(包括过渡态)的优化构型,进而得到体系的势能面,动力学数据,热力学数据和轨道的有关信息。我们用这些数据综合分析反应机理问题。为进一步的实验研究提供了理论依据。 全文共分五章。第一章,综述了金属类卡宾促进烯烃环丙烷化反应的研究进展及本文主要工作。第二章,概述了本文工作的理论背景和计算方法。前两章主要概括了本文工作的理论背景和理论依据,为我们的研究提供了可靠的量子化学方法。 第三章,用密度泛函B3LYP方法研究了金属铝类卡宾与乙烯的环丙烷化反应的机理。对三种不同的铝的SS试剂(CH)AlCHX(X=Cl,Br,I)分别和CHCH反应的反应物,中间体,过渡和产物构型的几何结构参数进行了优化,用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析方法,对过渡态进行了验证。结果表明:(CH)AlCHX(X=Cl,Br,I)和CHCH环丙烷化反应按亚甲基转移通道和卡宾金属化通道进行的与锌类卡宾的反应机理相似,反应的主要的通道是亚甲基转移通道。卡宾取代基上卤素原子的离去对反应的有着很大的影响,卤素原子越重反应越难进行。本文用了极化连续介质,计算了溶液CHCI对反应的影响,与气相中的相比,溶剂化效应使反应更容易进行。在此基础上我们对(CH)AlCHI与其它一些卡宾(CHLiCHI,CHZnCHI,CHSmCHI)作了一些比较。得到卡宾的活性顺序:CHLiCHI≈CHSmCHI(CH)AlCHICHZnCHI。这与实验的反应条件相符合。 第四章,用密度泛函B3LYP方法对铝类卡宾上的离去基团对卡宾的活性的影响作了研究。计算表明在卡宾系列中(CH)AlCHX(X=F,Cl,Br,I),(CH)AlCHF卡宾的反应活性是最活泼的,而(CH)AlCHI是最不活泼的。(CH)AlCHF卡宾与乙烯的环丙烷化反应有较低的能垒主要是因为以下的原因:卤素原子的亲电能力的增加和从络合物到过渡态体系的几何结构变化小。另在反应的过程中X-C的断裂所需的能量可以由X-Al形成所放出的能量补充,这样促使反应的能垒就比较低。相反的卡宾金属化通道的能垒就高。 第五章,利用密度泛函理论对(CH)AlCHI与(CH)C=CHCHOH环丙烷反应机理进行了深入理论探讨,在B3LYP/6-311G**水平上对该反应体系的反应物、中间体、过渡态、产物进行了几何构型优化;计算考察了三种可能反应途径势能面上各个驻点的构型参数、振动频率和能量;通过振动分析对过渡态和中间体的构型进行确认。计算结果表明,(CH)AlCHI与(CH)C=CHCHOH环丙烷反应有三条反应通道,其中c反应通道的势能垒仅为16.0 kcal/mol,反应容易在低温下进行。