咪唑卡宾-二氧化碳加合物的形成及咪唑醋酸盐催化合成苯并噻唑的理论研究

摘要

离子液体是一种在室温下呈液态的新型化合物，完全由阴离子和阳离子构成。它们具有许多传统溶液无法比拟的优点，如液程宽，不易燃，不易挥发，稳定性好，可设计及可循环使用等。结构决定性质，性质决定了用途，也正是因为离子液体具有如此多的优良特性，使其在生物化学、材料科学、有机合成与催化、清洁能源、电化学以及气体吸附分离等众多领域具有极其广泛的应用，被称之为环境友好的绿色功能材料。近几十年来，离子液体的应用与研究受到学术界以及工业各个领域的普遍关注。目前，离子液体在催化转换以及气体吸附等方面的相关实验研究与应用已取得相当可观的进展。然而，其在理论研究中的发展相对滞后，有关离子液体参与众多催化反应的机理，我们尚不明确，对一些实验现象的解释未能得出一致的结论。从而在一定程度上，限制了新型离子液体于催化合成与吸附等相关方面的开发与利用。因此，对反应机制进行微观的理论研究，将会为进一步拓展离子液体的应用具有举足轻重的作用。本论文主要以相关的实验背景为依托，以咪唑类离子液体吸收CO2和催化有机合成苯并噻唑化合物的反应为主要研究对象。基于密度泛函理论计算，探究了咪唑类离子液体参与的相关反应机理，揭示其反应的微观本质，通过对反应的热力学和动力学数据进行分析与解释，对性质进行详细的研究。从而，合理地诠释了一系列实验现象。研究结果使人们对离子液体的认识不断深入，为定向地设计新型、高效的离子液体提供一定的理论指导。
　　本论文的主要研究内容和创新性成果归纳如下:
　　一、探讨了咪唑类离子液体与CO2的反应体系中，正常与非正常的氮杂环卡宾-二氧化碳(NHC-CO2和aNHC-CO2)加成产物的形成机理。实验研究表明，在咪唑醋酸根离子液体吸收CO2的过程中，不仅生成NHC-CO2加成产物，而且两种aNHC-CO2加成产物也被检测到。然而，在咪唑硫酸盐离子液体中，NHC-CO2和aNHC-CO2都没有生成。为了解释该实验现象，本文中，我们主要利用密度泛函理论，采用团簇结构以及隐含-显含溶剂模型对反应进行理论模拟，对反应的热力学、动力学数据和性质进行分析。研究表明，咪唑离子液体吸收CO2是以协同的机理进行的。通过考虑溶剂化效应，合理地解释了NHC-CO2和aNHC-CO2两类加成产物在[C2C1Im][OAc]-CO2体系中竞争的反应机理。同时，通过与[C2C1Im][CH3SO3]-CO2体系相比较，说明在离子液体中，阴离子的碱性对反应的进行具有极其重要的作用。计算结果为实验上设计功能性咪唑离子液体吸附气体具有一定的理论指导意义。
　　有关结果发表在，Phys.Chem.B(2017，121，10276-10284)杂志上。
　　二、通过DFT理论计算，详细地研究了咪唑离子液体催化合成苯并噻唑的反应机理。首先对中间体醛氧基硅烷(FOS)的生成机制进行了研究。计算结果表明，中间体NHC-CO2作为催化剂参与的四元环机理对该反应是不利的。然后，我们设计出了OAc活化Si-H键的SN2反应机理。在该机理中，OAc作为亲核试剂进攻Si中心，活化Si-H键，同时H原子进攻CO2分子的C中心，OAc起到了主要的催化作用，而咪唑阳离子在反应体系中仅与醋酸根阴离子形成氢键以稳定反应体系。接下来，研究了中间体FOS与底物邻氨基苯硫酚的反应机理，计算结果表明反应过程包括氢迁移，分子内环化，分子内脱水三个阶段。并且，HOAc扮演氢转移梭子的角色，对反应的顺利进行起到了非常重要的协助作用。整个过程中决速步为分子内环化。除此之外，我们对5-硝基邻苯硫酚作为底物时反应产率降低的现象进行了合理的解释:由于硝基的诱导吸电子作用所致。目前的理论计算结果不仅能很好地解释实验现象，并对咪唑离子液体催化合成苯并噻唑的反应机理细节提供了比较深入的探究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 离子液体简介

1．2．1 离子液体的定义及结构

1．2．2 离子液体的物理化学性质

1．2．3 离子液体的研究现状

1．3 本论文的研究内容及意义

参考文献

第二章 理论基础和计算方法

2．1 量子化学计算

2．2 薛定谔方程

2．3 密度泛函理论

2．4 基组

2．5 结构优化与频率计算

2．6 自然键轨道(NBO)分析

参考文献

第三章 正常与非正常的氮杂环卡宾-二氧化碳加成产物在咪唑离子液体与二氧化碳反应中生成机理的理论研究

3．1 研究背景

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 咪唑阳离子和[C2C1Im][OAc]离子对团簇的结构

3．3．2 孤立的[C2C1Im][OAc]离子对与二氧化碳的反应

3．3．3 第二对[C2C1Im][OAc]离子对反应活性的影响

3．3．4．离子液体的阴离子对反应活性的影响

3．4 结论

参考文献

第四章 咪唑离子液体催化合成苯并噻唑的理论研究

4．1 研究背景

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 中间体FOS生成的机理

4．3．2 苯并噻唑的生成机理

4．3．3 取代基效应对反应的影响

4．4 结论

参考文献

结论与展望

致谢

攻读学位期间发表和待发表的论文