铜催化炔丙基乙酸酯与肼反应的机理研究

摘要

过渡金属催化C–H官能化反应是选择性构筑C–N键的有效合成方法，由此获得的2–吡唑啉类化合物不仅可以应用于生物、农业、染料和有机电致发光中，而且还是一些抗病毒、抗癌、抗菌等药物中的重要组成成分。在过去几十年里，许多贵金属Pt、Rh、Ru、Au等催化剂催化的C–H官能化反应得到了很大的发展，但使用成本高，不易回收限制了其应用。铜易与具有优良性能的配体形成化学选择性高、廉价、环保的新型催化剂引起了人们的广泛关注。与传统方法相比，铜催化炔丙基乙酸酯肼化反应具有底物简单且范围宽，条件温和，产物的对映选择性（94%ee值）高等特点。
　　本文采用密度泛函理论B3LYP方法研究了Cu催化炔丙基乙酸酯与肼反应的详细反应机理，重点阐述了反应过程的能量变化以及一系列中间体和过渡态的形成，获得了反应进行的最优路径，为催化剂的发展以及实验研究提供了一定的理论基础。主要的研究内容和结论如下：
　　首先，活性催化剂CuL对炔丙基乙酸酯进行活化，经历一系列氢转移中间体以及乙酸还原消除形成关键中间体累烯基铜。本文通过比较乙酸还原消除的三条不同反应路径，即无溶剂分子参与反应路径ⅠA，N(CH3)3分子参与的反应路径ⅠB，以及MeOH溶剂分子辅助的反应路径ⅠC。计算结果表明，MeOH分子的参与（反应路径ⅠC）可以将有效反应能垒降低5.92 kcal/mol（18.81 vs24.73 kcal/mol），以催化剂CuL为零点参考。相比之下，N(CH3)3参与（反应路径ⅠB）能使反应活化能降低更多，为13.33 kcal/mol，以催化剂CuL为零点参考。
　　其次，对于单取代肼进攻累烯基铜化合物的反应过程，分别考虑了添加剂N(CH3)3和MeOH的作用。文中分为三条路径，即路径ⅡA（无溶剂分子参与反应）、路径ⅡB（N(CH3)3诱导炔烃去氢）和路径ⅡD（溶剂分子参与的氢转移）。计算结果显示，甲醇对活化肼的N–H键起了重要的诱导作用。甲醇分子与肼形成氢键O···H?N1得到中间体2f，进而发生C–H还原形成中间体2g，即甲醇分子上的羟基氢原子转移到炔烃的ɑ-C上，同时与N1相连的H原子转移到甲醇的氧原子上。从2g出发，甲醇分子诱导炔发生1,2–H迁移，然后–NH2进攻C1得到一个五元环化合物。随后甲醇分子再次诱导N–H键断裂，最后在两分子甲醇诱导的作用下，N2–H发生1,3–H迁移生成稳定化合物，这与实验上得到的结果完全一致。通过比较三条路径的能量得出，甲醇分子参与的氢转移路径ⅡD是最优路径。反应过程的决速步都是1,3–H迁移过程。
　　本文的研究结果不仅为理解 CuL催化炔丙基乙酸酯与肼的详细反应路径提供了理论基础，而且很好的解释了实验上添加剂的作用，更是对实验研究者所提出的可能路径进行了补充和校正。在累烯基铜的形成过程中，N(CH3)3分子能够很好地促进乙酸消除。而在单取代肼进攻部分，MeOH溶剂分子的参与对于 N–H键的活化和氢转移起了至关重要的作用。

目录

1 绪论

1.1 研究意义和背景

1.2.1 单电子转移（SET) 机理

1.2.2 CuAAC点击化学反应机理

1.2.3 铜催化去质子化反应机理

1.2.4 铜催化炔烃肼化和胺化的区域选择性

1.3研究内容

2 理论基础

2.1 概述

2.2 薛定谔方程（Schr?dinger）与五个基本假设

2.3 密度泛函理论（DFT）

2.3.1 Hohenberg–Kohn引理

2.3.2 Hohenberg–Kohn定理

2.3.3 Kohn–Sham方程

2.4 基组

2.5 过渡态理论

2.6 IRC与反应路径

2.7 溶剂化效应

3 铜催化炔丙基乙酸酯与肼反应的机理研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.3.1无溶剂分子参与反应形成铜累烯基配合物

3.3.2 三甲基胺和甲醇分子参与反应形成铜累烯基配合物

3.3.3 比较还原消除过程中的三条反应机理

3.3.4单取代肼和铜累烯基配合物的环加成反应

3.3.5单取代肼进攻的选择性

3.3.6溶剂化影响

3.4 结论

参考文献

在学期间的研究成果

致谢