Beta分子筛及Ru(Ⅱ)配合物催化芳烃烷基化反应的理论研究

作     者：董优 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭慧敏

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：烷基芳烃 Beta分子筛 Ru(Ⅱ)有机配合物 碳正离子 理论计算 

摘      要：碳-碳偶联反应是合成高附加值有机化合物的核心方法。芳烃的烷基化反应就是一种典型的碳-碳偶联反应。由于孔道和酸性可调等优点,分子筛作为传统的芳烃烷基化反应催化剂,在化工生产中已经得到了广泛应用。过渡金属配合物以其转化率高、直链烷基化产物选择性好等特点,得到了诸多学者和工业界的关注。本文通过密度泛函理论计算,系统研究和比较了Beta分子筛和Ru(Ⅱ)过渡金属配合物催化芳烃烷基化反应的机理,并讨论了影响催化剂性能的关键因素,主要结果如下首先,我们结合分子力场和密度泛函理论方法,在B3LYP/6-31g(d)/UFF水平上研究了Beta分子筛催化苯酚叔丁基化反应的机理。结果表明,Beta分子筛催化的苯酚叔丁基化反应是典型的Friedel-Crafts反应,按照分步机理进行。反应过程中,叔丁醇作为烷基化试剂首先在Beta分子筛的Bronsted酸位上吸附并脱水生成碳正离子,然后碳正离子和苯酚在孔道内相互作用生成烷基化产物,产物分为2-叔丁基苯酚和4-叔丁基苯酚。4-叔丁基苯酚的生成能垒更低,为该反应的主要产物。我们还将分子筛中的Al原子替换成B原子和Ga原子来调节分子筛的酸性,进而讨论酸性对反应动力学和产物选择性的影响。结果表明,分子筛酸性改变不会影响苯酚叔丁基化的反应机理和选择性。随着酸性的增强,主反应速率增加,说明在不考虑其它副反应和孔道结构的前提下,提高分子筛的Bronsted酸性有利于提高芳烃烷基化反应的转化率。其次,我们采用密度泛函理论方法在B3LYP/LANL2DZ水平上研究了TpRu(CO)(NCMe)Ph (Tp=氢化三吡唑基硼酸)配合物催化的苯乙基化反应的机理。该反应经由乙烯在催化剂上配位、乙烯插入和苯环的C-H活化等步骤完成,其中乙烯插入是反应的速率控制步骤,反应能垒为20.04 kcal/mol。尝试通过改变配合物催化剂的Tp配体来调节中心金属Ru(Ⅱ)的电子结构,发现中心原子Ru接受电子能力的增强对于该过程中的两个重要基元反应的影响不同：有利于乙烯的插入,不利于苯环C-H活化,并据此推测Tp(NO2)Ru(CO)(NCMe)Ph配合物能较好的平衡乙烯插入和苯环C-H活化两个过程,是潜在的性能优越的烯烃苯基化催化剂。最后,我们采用密度泛函方法在B3LYP/6-31+g(2d,p)水平上研究了1,2,4-三苯基-1,3-环戊二烯及其衍生物和相应碳正离子的电子结构。结果表明,在苯环上引入取代基对中性分子的五元环骨架几乎不产生影响,而对碳正离子的结构影响较大。给电子基团和使刚性平面扩大的基团有利于碳正离子的共轭,而吸电子基团则相反。在所有的碳正离子中,二烯环均呈现烯丙型碳正离子特点。阴离子会破坏碳正离子的刚性共轭平面,改变电荷的分散状态。与体积较大的高氯酸根、甲磺酸根相比,体积较小的Cl离子对正电荷的定域作用更强,显著改变了二烯环内烯丙型碳正离子的结构。通过对碳正离子的势能面柔性扫描,并结合着Mulliken电荷分析结果,确定了环戊二烯衍生物碳正离子在三种不同的电荷定域共振式形态之间的转化规律。