过渡金属钯催化C-H键活化及其选择性的密度泛函理论研究

作     者：常蓉 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭臻

授予年度：2021年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：密度泛函理论 钯催化剂 选择性活化 导向基团 手性配体 取代基效应 

摘      要：近年来,过渡金属体系催化的C-H键活化反应已经发展得相当成熟,被广泛应用于各类有机化合物的合成,在有机金属化学领域中占有非常重要的地位。继续推进C-H键活化反应向前发展的关键瓶颈之一是在反应过程中区分多个具有相似电子性质和化学键强度的C-H键,这个问题往往导致反应选择性差,使得到目标产物的过程变得困难。尤其是对于一些具有药用价值的手性有机化合物来说,对产物选择性的要求将更高。为了解决这个问题,有机合成工作者通过在反应体系中加入各式各样的导向基团和配体来实现对产物选择性的调控,在一定程度上改善了C-H键活化反应的选择性。但对于一些较为复杂的反应,或反应过程中存在寿命时间极短的中间体时,仅通过实验手段并不能对实验现象做出合理的解释。计算化学的方法很好地弥补了上述的不足,通过对基元反应步骤的计算能够有效得出反应发生的具体过程,且对位阻排斥、电荷效应、轨道作用等的计算有助于阐明反应的活性、区域选择性及立体选择性。因此,从微观分子水平出发揭示宏观反应下存在的机理要素,对于过渡金属催化C-H键有机合成反应的条件筛选、底物设计、配体选择等具有深远的意义。本论文以已报道的实验为研究依据,利用密度泛函理论(DFT)、能量分解分析(EDA)以及自然轨道分析方法(NBO),系统研究了过渡金属钯催化惰性C-H键的选择性活化反应过程,为相关反应的催化体系设计提供了一定的理论指导。主要研究内容和结论概括如下:(1)系统研究了丙酮酸衍生的导向基团与2-吡啶酮配体协同作用下,金属Pd催化剂介导的C-H键选择性芳基化反应的机理。理论上讲,二聚体钯催化剂[Pd(OAc)]和单分子钯催化剂[Pd(OAc)]都有可能催化C-H键的官能团化过程。本论文研究表明,前者更符合实验上的反应结果且EDA计算证实反应选择性主要由静电相互作用和轨道相互作用决定。另外,在膦配体存在的情况下,经由双钯机制发生反应得到的中间体可以通过一个环收缩过程得到单钯中间体。从芳基碘化物到产物芳基化醇的反应过程由O-H键活化,C-H键断裂,芳基-I键氧化加成,离子交换,C-C键还原消除和去质子化生成最终产物并再生催化剂这几个关键步骤组成。在目标反应机制中,C-H键断裂被证实既是限速步骤,又是决定选择性的步骤。同时,以上结论能够合理地应用于以2,3,5,6-四氟-4-三氟甲基-苯胺为导向基团的目标反应,进一步证实了双钯机制的合理性。(2)对Pd(Ⅱ)催化的亚甲基C(sp)-H键烯基化-Aza-Wacker环化形成(E)-β-立体异构γ-内酰胺的机理、立体选择性以及配体效应对反应性的影响进行了系统的研究。计算结果表明,碳酸钾与过渡金属钯协同作用下的质子化过程是实现亚甲基C-H键活化的最优途径,其中对映选择性由底物中的甲基基团与手性配体之间的相对取向来决定。所得产物中烯烃部分的立体化学选择性由氧化加成步骤决定,其中库伦相互作用和色散效应导致了两个过渡态之间的能量差异。就“三中心两电子过渡态的元结效应特点而言,由不同Pd催化剂引起的反应性差异归因于取代基对手性配体的电子诱导作用。换句话说,使用吸电子基团(例如氰基)代替供电子基团(例如甲氧基)可提高Pd原子的氧化态并降低Pd原子的d空轨道的能量,进而有助于更多的C-H键σ电子进入到Pd中心的空3d轨道中。因此,与供电子基团取代的配体相比,吸电子基团(例如氰基)取代的Pd催化剂具有更高的催化活性。