钴催化不对称反应生成环丁酮的机理研究分析 高分子材料学专业

目录第一章绪论.............................................................................................31.1课题意义 31.2立题思想 31.3过渡金属催化剂 3第二章理论基础......................................................................................42.1密度泛函理论(DFT) 42.2过渡态理论 52.3量子化学软件 5第三章钴催化不对称反应生成环丁酮的机理研究...............................63.1反应背景........................................................................................63.2计算方法........................................................................................73.3反应机理.........................................................................................73.3.1醛基脱氢过程……………....83.3.2碳碳双键加氢过程……….....93.3.3分子内成四元环过程………………………......9参考文献.....................................................................................................10致谢............................................................................................................12\o"钴催化不对称反应生成环丁酮的机理研究"钴催化不对称反应生成环丁酮的机理研究摘要：大多数分子内加氢酰化反应优先生成环戊酮而不是环丁酮。其中有两个例外，它们都使用Rh催化带有甲氧基指导基团的底物，通过氧化加成活化醛C-H键以生成酰基金属氢化物中间体。然后烯烃插入该中间体，生成六元和五元金属环。一般来说，六元金属环易发生还原消除，在热力学和动力学上有利于产生环戊酮产物。此外，实现五元金属环的还原消除是具有挑战性的。本次研究中涉及到利用过渡金属（Co）生成四元环，颠覆了加氢酰化反应的通常区域选择性。本文应用密度泛函理论(DFT)(B3LYP/6-31G(d)),去寻找可能存在的过渡态、中间体，通过理论计算研究了钴催化不对称反应生成环丁酮的机理。计算结果表明，首先钴配合物催化剂与底物发生碳碳双键配位作用，然后醛基中的碳氢键断裂，碳碳双键加氢，最终钴配合物催化剂从体系中分离，生成四元环的过程很有可能是该反应的机理。关键词：加氢酰化反应；过渡金属钴催化剂；密度泛函理论AbstractMostintramolecularhydroacylationprovideexclusiveaccesstocyclopentanonesinpreferencetocyclobutanones.However,therearetwoexceptions,bothofwhichusesubstratesbearingamethoxy-directinggroupunderRhcatalysistoactivatealdehydeC−Hbondsthroughoxidativeadditiontoformanacyl-metal-hydrideintermediate.Fromthisintermediate,olefininsertionresultsinanequilibriummixtureofthesix-andfive-memberedmetallacycles.Ingeneral,reductiveeliminationfromsix-memberedmetallacyclesisthermodynamicallyandkineticallyfavoredtogeneratethelessstrainedcyclopentanoneproduct.Moreover,achievingreductiveeliminationfromafive-memberedmetallacycleischallenging.Ratherthanrelyingonapreciousmetal,weproposeusingatransitionmetal(Co)tooverturntheusualregioselectivityofhydroacylationtofavorthefour-memberedring.Inthisarticle,densityfunctionaltheory(DFT)(B3LYP/6-31G(d))wasusedtofindpossibletransitionstatesandintermediates.Themechanismofcobaltcatalysisforenantioselectivecyclobutanoneconstructionwasstudiedbytheoreticalcalculations.Basedontheoreticalanalysis,first,thecobaltcatalystfirsthasacarbon-carbondoublebondcoordinationwiththesubstrate,thentheC-Hbondinthealdehydegroupisbroken,thecarbon-carbondoublebondishydrogenated,andfinallythecobaltcomplexcatalystisseparatedfromthesystemtoformafour-memberedring.Thispathwaymaybethemechanismofcobaltcatalysisforenantioselectivecyclobutanoneconstruction.Keywords：Intramolecularhydroacylation，Cobaltcatalyst，Densityfunctionaltheory.第一章绪论1.1课题意义加氢酰化[1]是通过醛类化合物与炔烃或烯烃发生反应生成酮，该反应是实现C-C、C-H键活化的一种重要方法[2]，同时也是增长碳链的重要有机合成方法。在反应过程中，需要某些特定的过渡金属催化剂来参与，主要涉及金属试剂对C-H键氧化加成，生成金属化合物，以及之后对不饱和键的插入、还原消除，最终得到加氢酰化的产物。羰基化合物在科学研究、医药应用、工业生产等领域已经具有了非常广泛的用途，可以说与我们的生活息息相关。因此，能够开发出更多的、有实用性的有机合成新反应、新方法，进而有效地、高效地合成羰基化合物，就成为了有机化学合成中一个非常重要的研究领域，这在工业合成领域也有着实际的应用价值。1.2立题思想实验上发现，Rh和Co均通过氧化加成活化醛C-H键，来生成酰基金属氢化物中间体。[1][3]然后让烯烃插入该中间体，以生成六元和五元含金属的环。一般来说，六元金属环易还原消除，在热力学和动力学上有利于产生环戊酮产物。但是最近，VyM.Dong的课题组报道了一篇文章，是有关过渡金属钴催化生成环丁酮的分子内加氢酰化反应，此反应具有很高的区域选择性。[4]对于此反应的详细机理，我们进行了理论计算的研究。1.3过渡金属催化剂近年来，科学家们在过渡金属催化的C-H官能化方面已经取得了相当大的进展，C-H官能化可以显著简化药物、天然产物、农用化学品、聚合物和原料商品化学品的合成过程。然而直到最近，大部分催化C-H官能化的方法仍是通过使用贵重的第二和第三系列过渡金属。所以开发拥有更丰富储存量的第一过渡金属络合物的催化剂，成为了非常有吸引力的替代方案。第一个钴催化的加氢酰化反应是由Vinogradov[5]和后来的Brookhart[6][7]发现的，该反应在温和的反应条件下进行，催化剂用量低，产率极高，这也使人们看到了环境友好的钴配合物催化剂所具有的巨大应用潜力。第二章理论基础引言量子化学开始于Heitler和London处理氢分子中的共价键时。量子理论的发展使得量子化学目前正成为化学结构理论的基础以及广大化学家的有力研究工具。理论和实验在科学研究上探讨分子体系方面的结合使整个化学领域发生巨大变革和进步，从此现代化学不再是纯实验学科。现今在有机化学的研究中，研究人员常常将理论计算于实验相结合，通过理论计算得到反应的机理，或者帮助完成溶剂化筛选，甚至能辅助找出试验中存在的问题。[8]这样在节约药品的同时，也提升科研效率。随着计算化学的计算方法及软件的不断发展进步，理论计算必将在化学研究上日益发挥巨大作用。2.1密度泛函理论密度泛函理论（DFT）的基础可以追溯到20世纪20年代的Thomas和Fermi的研究，但是在20世纪60年代Hohenberg，Kohn和Sham的研究之后，特别是在20世纪90年代早期出现了B3LYP，[9]DFT的广泛应用已被实现。密度泛函理论（DFT）在过去的几十年中已经成为模拟化学系统的强大方法。DFT是围绕电子系统的能量可以用其电子概率密度ρ来定义的前提而建立的。对于包含n个电子的系统，ρ（r）表示空间r中特定点处的总电子密度。根据DFT形式，电子能量E被认为是电子密度E[ρ]的函数，对于给定的函数ρ（r）对应于单个能量，即系统的电子密度与其能量之间一一对应存在。考虑以下因素，可以最好地说明基于波函数概念的密度泛函理论的优点：对于包含n个电子的系统，如果包含自旋，其波函数将具有每个电子三个坐标和每个电子多一个坐标，即总共4n坐标，而电子密度仅取决于三个坐标，与构成系统的电子数量无关。因此，尽管波函数的复杂性会随着电子数量的增加而增大，但电子密度的变量保持数量不变，与系统大小无关。通过分析，我们发现正常情况下是无法从电子密度中“恢复”出波函数的，因为从波函数到电子密度的过程中，会丢失掉大量的信息。但是密度泛函理论（DFT）却拥有不一样的结果：从波函数，Green函数，密度矩阵到密度，至少对于只是基态的情形下，它并没有丢失什么信息。这说明了密度泛函理论已经将3N维波函数问题简化成了粒子密度问题，这是一种基于量子力学的从头算理论。2.2过渡态理论过渡态理论（TST）是在1935年由M.波拉尼和A.G.埃文斯所提出的，它解释了基本化学反应的反应速率。该理论假设反应物与活化过渡态配合物之间存在一种特殊的化学平衡（准平衡）。过渡态理论主要用于定性地了解化学反应如何发生。由于绝对反应速率的计算需要对势能面的精确了解，过渡态理论在计算绝对反应速率常数的初始目标方面并不成功，但是对于速率常数已经通过实验确定的特定反应，在计算其标准活化焓，标准活化熵和标准吉布斯活化能方面获得了成功。过渡态理论背后的基本思想如下：（1）反应速率可以通过检查势能面的鞍点附近的活化络合物来研究。这些络合物形成的细节并不重要。鞍点本身被称为过渡态。（2）活化的络合物与反应物分子处于特定的平衡（准平衡）。（3）活化的络合物可以转化为产物，动力学理论可以用来计算这种转化率。过渡态理论也被称为“活化络合物理论”，“绝对速率理论”和“绝对反应速率理论”。2.3量子化学软件量子化学软件的设计思路在于将复杂的量子化学计算过程程序化，从而达到方便人们使用、提高运算效率并且具有较强的普适性的目的[10]。根据研究对象的不同可将计算软件进行分类：对于有限尺度体系（分子、团簇等）有Gaussian、ADF、Dalton、EHMO、Gamess、MOPAC等量子化学软件；对于无限周期重复体系（固体、晶体表面、链状聚合物等）有NNEW3、Wien、VASP、Crystal等量子化学软件。本课题采用的是Gaussian程序来研究有机化学反应的机理。Gaussian软件的功能十分强大，它可以完成子构型的几何优化，分单点能，分子轨道，原子电荷电势，红外光谱和拉曼光谱，热力学性质，模拟溶剂化影响等计算任务。第三章反应的理论研究3.1文献背景过渡金属催化的加氢酰化反应的过程，一般包括醛分子的C-H键先活化进入到金属中心，然后生成酰基金属氢化物，接着不饱和烃插入生成酰基金属烷基化合物，最后经过还原消除生成酮类化合物并且金属催化剂从体系中分离。一般来说，在热力学和动力学上有利于产生环戊酮产物。但是，有两个例外，它们都使用Rh催化带有甲氧基指导基团的底物，[11]如（图3.1）所示。图3.1铑催化形成环丁酮和环戊烯酮的反应本次研究中并不依赖过渡金属（Rh），而是利用过渡金属（Co）生成四元环，来推翻加氢酰化反应的通常区域选择性。3.2计算方法本文所有的计算均使用密度泛函理论中的B3LYP方法[12]。计算模型中碳、氢、氧、磷非金属原子使用6-31G(d)基组[13]，钴原子使用的是LANL2DZ基组[14]。我们使用SMD溶剂化模型[15]考虑了溶剂化效应。溶剂化下单点能的计算对钴原子使用的是SDD[16]赝势基组，其他非金属原子使用的是6-311++G(d,p)基组。本文均采用Gaussian09[17]来优化几何构型和计算能量。3.3反应机理图3.2钴催化生成环丁酮反应机理图在钴催化作用下对映选择性环丁酮的构建反应中，我们以(S,S)-(BDPP)配位的钴为催化剂模型，我们决定用钴(0)配合物作为催化剂进行反应机理验证，这是因为含有氯原子的钴(Ⅱ)配合物在金属Zn的还原作用下会得到钴(0)配合物，且该简化会使计算过程更加高效。经过我们的计算分析可知，该反应路径大致要经过三个过渡态，对应醛基拔氢过程、碳碳双键加氢过程以及分子内成四元环过程三个反应过程。下面依次对三个反应过程进一步描述讨论。图3.3钴催化生成环丁酮的能垒图∆G(kcal/mol)cat+rea0.00INT11.71INT2-8.30INT3-19.16TS118.46TS2-8.03TS30.97pro+cat-17.98表3.1钴催化生成环丁酮反应的吉布斯自由能∆G(kcal/mol)3.3.1醛基脱氢过程醛基脱氢过程首先需要钴(0)配合物催化剂与底物发生碳碳双键配位作用，该双键配位表述如下：碳碳双键的π键电子进入钴原子的空轨道，钴原子与两个碳碳双键的π键分别配位，形成一个分子内含有以底物分子作为螯合配体的过渡金属钴配合物。该过程形成物需要吸收1.71kcal/mol的能量，比较容易进行。然后该钴配合物中的钴原子与醛基中的C-H键发生氧化加成，形成以C原子、钴原子和氢原子为中心的三中心过渡态TS1，该钴配合物形成过渡态TS1需要克服16.75kcal/mol的能垒，最终C-H键破裂，H原子和羰基C原子分别与钴原子键连，形成一个配位数为六的钴配合物中间体INT2，并释放26.76kcal/mol的能量。催化剂INT1TS1INT23.3.2碳碳双键加氢过程该过程是醛基脱氢过程的产物六配位钴配合物中间体进行的后续反应。该过程的能垒非常之低，为0.27kcal/mol，故该过程非常容易进行。它的大致过程为与钴原子键连的H原子键长拉长同时H原子与该钴配合物中间体的其中一个碳碳双键端位C原子作用，而钴原子则与碳碳双键远离端位的C原子作用加强，最终H原子加到原碳碳双键上，而钴原子与碳碳双键远离端位的C原子形成单键。该过程导致原来的六配位钴配合物中间体变成五配位钴配合物中间体，即为INT3所示分子结构。TS2INT33.3.3分子内成四元环过程INT3再经历一分子内成环过渡态最后即可生成最终产物。其过程是：钴原子与羰基C原子键合作用减弱，键长拉伸，由1.92Å拉伸至1.97Å，且Co-C单键削弱，键长拉伸，由2.04Å拉伸至2.35Å；而羰基C原子与Co-C单键中的C原子距离缩短，相互作用加强，形成一个与TS1类似的三中心过渡态TS3。该过渡态最终结果是钴原子与两个C原子的键合作用均削弱，并从体系中分离，还原成原来的钴(0)配合物催化剂。而羰基C原子与原来Co-C单键中的C原子键合作用加强，形成一个C-C单键，其最终产物即是环丁酮化合物。该成环过程经历的TS3过渡态需要INT3吸收20.13kcal/mol的能量，可知该过程在三个过程中能垒最高，是整个反应的决定步骤。而该反应从整体来看易于进行，故这条计算途径很有可能是该钴催化构建对映选择性环丁酮反应的机理。TS3产物参考文献Willis,M.C.Chem.Rev.2010,110,725.(a)Newhouse,T.;Baran,P.S.;Hoffmann,R.W.Chem.Soc.Rev.2009,38,3010.(b)Trost,B.M.Science.1991,254,1471.(a)Murphy,S.K.;Park,J.W.;Cruz,F.A.;Dong,V.M.Science.2015,347,56.(b)Lenges,C.P.;Brookhart,M.J.Am.Chem.Soc.1997,119,3165.(c)Yang,J.;Seto,Y.W.;Yoshikai,N.ACSCatal.2015,5,3054.(d)Yang,J.;Yoshikai,N.J.Am.Chem.Soc.2014,136,16748.(e)Vinogradov,M.G.;Tuzikov,A.B.;Nikishin,G.I.;Shelimov,B.N.;Kazansky,V.B.J.Organomet.Chem.1988,348,123.DanielK.Kim,JanRiedel,RaphaelS.Kim,andVyM.Dong.J.Am.Chem.Soc.2017,139,10208−10211.Vinogradov,

M.G.;

Tuzikov,

A.B.;

Nikishin,

G.I.;

Shelimov,

B.N.;

Kazansky,

V.B.

J.Organomet.Chem.1988,

348,

123–

134

.(a)

Lenges,

C.P.;

Brookhart,

M.

J.Am.Chem.Soc.

1997,

119,

3165–

3166；(b)

Lenges,

C.P.;

Brookhart,

M.;

Grant,

B.E.

J.Organomet.Chem.

1997,

528,

199–203

.Lenges,

C.P.;

White,

P.S.;

Brookhart,

M.

J.Am.Chem.Soc.

1998,

120,

6965–

6979

.ObotI.B.;MacdonaldD.D;GasemZ.M.CorrosionScience.2015,99,1-30.Lee,C.;Yang,W.;Parr,R.G.Phys.Rev.B.1988,37,785.Zhao,Y.;Truhlar,D.G.Theor.Chem.Acc.2008,120,215–241.(a)Yip,S.Y.Y.;Aïssa,C.Angew.Chem.,Int.Ed.2015,54,6870.(b)Tanaka,K.;Fu,G.C.J.Am.Chem.Soc.2003,125,8078.(a)Zhao,Y.;Truhlar,D.G.Acc.Chem.Res.2008,41,157-167.(b)Zhao,Y.;Truhlar,D.G.Theor.Chem.Acc.2008,120,215–241.Hariharan,P.C.;Pople,J.A.TTheor.Chim.Acta1973,28,213-222.Hay,P.J.;Wadt,W.R.J.Chem.Phys.1985,82,299-310.Marenich,A.V.;Cramer,C.J.;Truhlar,D.G.J.Phys.Chem.B2009,113,6378-6396.(a)Dolg,M.;Wedig,U.;Stoll,H.;Preuss,H.J.Chem.Phys.1987,86,866-872.(b)Andrae,D.;Haussermann,U.;Dolg,M.;Stoll,H.;Preuss,H.Theor.Chim.Acta.1990,77,123-141.Frisch,M.J.;Trucks,G.W.;Schlegel,H.B.;Scuseria