过渡金属催化自由基-自由基交叉偶联反应的理论研究

摘要

经过一百多年的研究与探索，自由基化学在21世纪进入了飞速发展的新阶段。随着一系列自由基反应在药物分子设计和天然产物全合成中的成功使用，自由基化学再次引起了有机化学家们的广泛重视。此外，过渡金属催化和光催化反应的不断发展也极大丰富了自由基的种类，拓宽了自由基反应的应用范围。在当前发展形势下，自由基化学领域面临着新的机遇和挑战。如何解释自由基反应的机理，理解自由基偶联成键的本质，揭示自由基反应的一般规律，成为当下自由基化学研究的重中之重。
　　借助理论计算化学的优势，本论文探讨了自由基物种的反应特性，系统研究了过渡金属催化自由基-自由基偶联成键的具体过程。我们创造性的提出了分步偶联模型解释这类反应的机理，同时利用自由基亲电性、亲核性能力的差别解释了反应中交叉偶联选择性的来源。这些结论为今后自由基-自由基偶联反应的实验设计提供了理论基础，将有效的推动自由基化学的发展。本论文主要获得以下研究成果：
　　1.在Ni催化α-羰基烷基溴化物与烯烃的自由基加成反应中，机理研究表明α-羰基烷基溴化物会与Ni(I)物种发生电子转移，引发C–Br键均裂，生成的叔碳自由基随后进攻烯烃的碳碳双键，得到稳定的碳自由基。接下来的理论计算排除了用Ni(II)将碳自由基氧化成碳正离子，通过碳正离子亲核进攻羰基成环的可能性，同时证明了碳自由基对羰基的加成可以有效的构建C–O键，为有机合成中C–O键的生成提供了新的方法。
　　2.自由基物种一直是光催化反应中的重要活性中间体。对α-酮酸自由基脱羧胺化反应的理论研究表明，酰基自由基可以接受苯胺的亲核进攻，经过一个偶极的自由基中间体生成酰胺产物。静电势能面计算揭示该中间体具有两性离子的特征，其中正电荷集中在胺基的氮原子上，负电荷集中在羰基的氧原子上。这一成键过程不同于自由基对不饱和键的进攻，由苯胺提供孤对电子成键，自由基一直保留在羰基碳原子上，该结果极大加深了我们对自由基反应性质的理解。
　　3.Glaser-Hay反应作为一类重要的人名反应，其反应机理始终有待解决，尤其是碳碳成键的具体过程。通过对最新报道的 Cu(II)/Cu(I)协同催化苯乙炔自偶联反应的机理研究，我们揭示出在碳碳成键过程中，二价炔铜首先发生二聚得到稳定的三重态炔铜二聚物，由于在三重态势能面上发生1，2-碳碳还原消除能垒较高，该二聚物随后会经过最低能量交叉点（MECP）生成低自旋的单重态炔铜二聚物。最后在单重态势能面上发生1，2-碳碳还原消除，生成炔烃自偶联产物。理论计算表明，该反应中碳碳成键的过程实际上相当于两个炔基自由基自偶联的过程，这一发现为之后的自由基-自由基交叉偶联反应研究打下良好基础。
　　4.在Cu催化的C–N自由基-自由基交叉偶联反应中，其偶联机理和交叉偶联选择性的来源都是本论文研究的重点内容。密度泛函计算表明，反应过程中Cu(I)更倾向于与氮自由基结合，而生成的 Cu(II)–N物种则更倾向于与碳自由基结合，得到稳定的Cu(III)中间体，最终的双电子转移/还原消除过程将构建新的C–N键。此外，借助自由基全局亲电性ω°和全局亲核性N°的概念，本论文还研究对比了体系中各类自由基的电子性质。研究结果发现，反应中的氮自由基是贫电子的亲电自由基，碳自由基是富电子的亲核自由基，因此氮自由基会首先与富电子的Cu(I)结合，而生成的贫电子 Cu(II)–N自由基则倾向于与碳自由基结合，也就是说反应过程中不同价态的铜化合物倾向于稳定具有不同电子性质的自由基，结合各自由基的电子性质，从而解释了交叉偶联选择性的来源。
　　5.在得到过渡金属催化自由基-自由基分步偶联模型之后，我们还将其应用到Ni催化的酰胺和四氢呋喃的自由基偶联反应中。研究结果表明，该分步偶联模型同样适用于Ni催化的C–N自由基-自由基交叉偶联反应，并且反应选择性的来源也可以通过不同自由基物种的电子性质差异来解释，当两种自由基的亲电性和亲核性相互匹配时倾向于发生交叉偶联反应。因此，我们提出的自由基-自由基分步偶联模型被证明具有一定的普适性，有望用来解释这一类反应的机理。不仅如此，自由基全局亲电性ω°和全局亲核性N°的计算还可以用来预测不同自由基发生交叉偶联反应的可行性，使理论指导实验变得可能，具有深远意义。

目录

1 绪 论

1.1 自由基化学发展概述

1.2 自由基反应分类

1.3 自由基-自由基交叉偶联反应研究现状

1.4 本章小结

2 理论基础和计算方法

2.1 密度泛函理论

2.2 过渡态理论

2.3 溶剂化效应

2.4 计算方法介绍

3 Ni催化碳自由基对羰基加成构建C–O键的理论研究

3.1 研究背景

3.2 研究内容

3.3 结果与讨论

3.4 计算方法

3.5 本章小结

4 光催化α-酮酸自由基脱羧胺化反应机理研究

4.1 研究背景

4.2 研究内容

4.3 结果与讨论

4.4 计算方法

4.5 本章小结

5 Cu(II)/Cu(I)协同催化末端炔烃自偶联反应中的自由基性质研究

5.1 研究背景

5.2 研究内容

5.3 结果与讨论

5.4 计算方法

5.5 本章小结

6 Cu催化C–N自由基-自由基交叉偶联反应机理及选择性研究

6.1 研究背景

6.2 研究内容

6.3 结果与讨论

6.4 计算方法

6.5 本章小结

7 论文总结

致谢

参考文献

附录 作者在攻读博士学位期间发表科研论文目录