硼基苯炔的高选择性Diels-Alder反应及丙二烯酰胺合成环状二烯体反应的理论研究

摘要

Diels-Alder(DA)反应是有机合成中最重要的环加成反应，也可以说是最重要的周环反应。这种[4+2]的环加成反应是由共轭二烯体(dienes)与亲双烯体(dienophiles)反应，得到不饱和的六元环状化合物。DA反应可以用来合成天然产物、药物以及新型聚合物，而这些物质用其他合成方法可能很难得到或是根本不可能实现。因此，DA反应在有机合成中所具有的重要性一直受到化学家们的青睐。近年来，DA反应的区域选择性和立体选择性问题也一直成为该领域研究的热点。
　　 要深入理解DA反应的选择性则必须要了解该反应的机理。虽然很多化学家对DA反应的机理及选择性问题已经做了大量的研究并取得了丰硕的成果，然而不同DA反应体系，其反应机理以及影响选择性的因素存在非常大的区别。本论文的一个重要工作就是利用密度泛函理论(DFT)方法系统地研究了3-硼基苯炔与取代呋喃发生高区域选择性DA反应的机理，并解释了该反应具有高选择性的原因。
　　 本论文前两章是文章背景知识的概述，第一章从DA反应的机理、区域选择性和立体选择性以及近年来DA反应的应用前景等方面对DA反应进行了简要的概述。第二章为理论方法简介，分别从量子化学的诞生、发展到应用，以及密度泛函理论和过度态理论等方面进行了介绍。
　　 第三章对3-硼基苯炔与取代呋喃发生高区域选择性的DA反应进行了系统的研究。本章采用B3LYP/6-31G(d)方法对反应物的结构和过渡态结构进行了优化，计算所得到的反应选择性与实验结果非常一致。本章从3-硼基苯炔和呋喃的电子结构分布(NBO电荷分析)、反应的过渡态结构、反应活化能、扭曲能和相互作用能等方面对该。DA反应进行了分析，结果表明该DA反应的高区域选择性主要是由呋喃上的氢与苯炔硼取代基上的氧之间的弱氢键相互作用决定的。此外，我们还发现，反应扭曲能是决定该反应选择性的内在因素。3-硼基苯炔与取代呋喃的DA反应扭曲能与反应活化能具有很好的线性关系(△E≠=0.9082△Edis≠-6.0042，R2=0.8191)，扭曲能越小，过渡态结构越接近反应物，反应活化能越低。
　　 第四章对通过丙二烯酰胺合成Diels-Alder反应底物--环状手性酰胺基二烯体的过程中发生氢迁移反应的机理进行了研究。利用密度泛函理论(DFT)方法分别研究了1，3-H-1，5-H和1，3-H-1，7-H迁移的反应机理，从反应活化能、过渡态结构等方面系统研究了该迁移反应，并很好的解释了1，3-H-1，7-H迁移中存在的选择性问题。
　　 综上所述，本论文利用精确地密度泛函方法对最近DA反应领域内广受关注的两个反应的机理及选择性进行了系统的研究，很好的解释了这两个反应的选择性问题。本论文所得到的研究结果对理解这两个反应具有重要意义，为该反应在有机合成中更为广泛和高效的应用提供了理论指导。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

第一节 Diels-Alder反应概述

第二节 Diels-Alder反应机理

第三节 Diels-Alder反应的立体选择性和区域选择性

1.3.1 Diels-Alder反应的立体选择性

1.3.2 Diels-Alder反应的区域选择性

第四节 Diels-Aider反应的应用

1.4.1 Diels-Alder反应在有机合成中的应用

1.4.2 Diels-Alder反应的生物学应用

第五节 本文拟解决的问题

第二章 理论方法简介

第一节 量子化学的诞生、发展及在当今化学研究中的应用

2.1.1 量子化学的诞生与发展

2.1.2 数理统计与计算程序化-Gaussian的形成

2.1.3 模型化学(Model Chemistry)的建立

2.1.4 量子化学在化学研究中的应用

第二节 密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)简介

2.2.1 复杂体系的薛定谔方程求解

2.2.2 密度泛函理论

2.2.3 基组的选择

第三节 过渡态理论(Transition State Theory，TST)

2.3.1 过渡态理论的基本假设和数学模型

2.3.2 有机反应机理

2.3.3 反应体系的势能面、过渡态和反应坐标

第三章 硼基苯炔与取代呋喃发生高区域选择性Diels-Aider反应的理论研究

第一节 研究背景与问题的提出

第二节 计算方法

第三节 结果与讨论

3.3.1 反应体系中异丙基负离子(i-Pr-)或氯离子(Cl-)对区域选择性的影响

3.3.2 硼基苯炔与取代呋喃的电子结构分析

3.3.3 取代基的立体效应及弱氢键相互作用对区域选择性的影响

3.3.4 过渡态的扭曲能(distortion energy)和相互作用能(interaction energy)对反应选择性的影响

第四节 本章结论

第四章 丙二烯酰胺合成Diels-Alder反应底物--环状手性酰胺基二烯体的机理研究

第一节 研究背景与问题的提出

第二节 计算方法

第三节 结果与讨论

4.3.11，3-H-1，5-H迁移反应的机理研究

4.3.21，3-H-1，7-H迁移反应的机理研究

第四节本章结论

第五章 全文结论

参考文献

致谢

个人简历