含硅过渡金属四元环开环反应机理的理论研究

摘要

在过去的几十年中，很多的注意力集中在有M=Si键的金属硅烯化合物的化学上。金属硅烯化合物可以参与一系列的有机硅化合物的转化反应，例如从硅氢键脱氢的反应，硅原子取代基的重排反应，硅烯转化为其它不饱和有机化合物的反应。因为硅烯化合物可以提供各种转化反应的不同信息，所以过渡金属硅烯化合物的制备是合成的重要目标。在金属有机硅烯化合物中，含硅烷硅烯基化合物尤为重要。因为这些化合物可以发生分子内的1，3-基团迁移，这被认为是金属催化有机硅化合物的取代基重排反应的关键步骤。Ogino已经成功地合成了一系列分子内桥连硅烷硅烯基过渡金属化合物，如分子内四元、五元、六元环硅烯化合物。由于其分子的结构张力，特殊的成键模式，及其反应的新奇性更是引起了人们的高度重视。虽然人们对过渡金属硅烯基或者过渡金属硅烷基化合物的理论研究做了很多工作，但是对于分子内桥连硅烷硅烯基过渡金属化合物的理论研究确是很少。由于M-Si键的极性，使得Si原子极易与亲核试剂H2O、MeOH、HX等发生亲核反应。这也是此类化合物的典型反应之一。因此，对于含硅烯基过渡金属四元环状化合物的理论研究将会是一个很有研究价值且具有指导意义的课题。 本文在实验的基础上，通过理论计算研究了过渡金属硅烯化合物的亲核反应的反应机理。我们利用密度泛函理论中的B3LYP，在6-31G基组水平上，对代表性反应的相应的模型反应机理、键长、键角等进行了理论分析。从结构参数、动力学、热力学等方面分析断键原因。该课题得到山东省自然科学基金的资助。 1.应用密度泛函理论(DFT)，通过研究CpRu(CO)(SiMe2)2O(Cp=环戊二烯负离子)与甲醇的模型化反应，探讨了CpRu(CO)(SiMe2)2O与ROH(R=苯基，烷基)的反应机理，分析了反应所涉及的各相关化合物的结构与成键特征。Ogino最早提出了CpRu(CO)(SiMe2)2O与ROH的机理是ROH从侧面进攻Ru=Si键，而使RuSiSiO四元环发生开环反应。我们经过理论计算发现ROH从侧面进攻Ru=Si键时，先生成一稳定的中间体，然后经过活化能为24.2kcal/mol的过渡态生成邻位产物。此产物的稳定性比中间体还低。此机理无论是在动力学上还是热力学上都是不利的。我们提出了另一种反应机理即ROH从中间进攻四元环Si-O键的反应机理，首先ROH的H原子与RuSiSiO四元环的O原子形成有氢键的中间体，随着R．OH中的O原子进攻Si原子，四元环发生开环反应，经过活化能为23.5 kcal/mol的过渡态，生成对位产物且其比反应物稳定17.4 kcal/mol。ROH从中间进攻四元环Si-O键的反应机理无论是在动力学上还是热力学上都是有利的。 2.通过过渡金属催化C-C键活化的反应是有机化学中的活跃而有挑战性的领域。C(R)-CN键活化的反应引起研究人员很大的兴趣，因为含有烷基及芳基的金属氰化物可以生成很多重要的金属催化反应的中间体。虽然用过渡金属活化不饱和腈的C-C键通常很困难，但是一些过渡金属如镍、铅、铂、钼、铼、铱和铁等催化不饱和腈C-C键断裂的实验已经有报道。尤其是近来的报道表明一些含硅的金属有机化合物对腈的C-C键断裂起到很关键的作用。我们在理论上研究了Cp*Fe(CO)(=SiMes2)SiMe3(1)与乙腈反应的可能反应机理，并找出哪种反应机理在动力学和热力学上更合理。经计算我们发现其反应机理有两种可能的路径。路径I，先发生CN键插入Fe-Si键的反应，然后再发生C-C键的氧化加成反应。此路径的决速步骤所需最高活化能为17.2 kcal/mol，产物比反应物要稳定29.6kcal/mol，说明此路径无论是在热力学上还是动力学上都是有利的。而路径Ⅱ是C-C键直接氧化加成到过渡金属中心而完成，所需的活化能为50.7 kcal/mol，这在动力学上是不利的。这也说明Si基团对此类C-C键活化的反应起着很关键的作用。我们对比计算了金属Ru的硅烯硅烷化合物与乙腈的反应，发现合理的路径还是首先经过CN插入到Ru-Si键的反应，然后再发生C-C键的断裂。此反应的决速步骤的活化能为22.0 kcal/mol，比金属Fe的硅烯硅烷化合物与乙腈的反应的活化能高。金属Fe的硅烯硅烷化合物对乙腈的C-C键活化的催化效果略好些。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1计算化学的发展及在金属有机化学理论研究中的应用

2含硅烯过滤金属有机化合物的简介

3计算方法的选择

4本文的主要工作及研究意义

第二章计算的理论和方法简介

1密度泛函理论(Density Function Theory,DFT)

2其它方法简介

2.1ab initio Hartree-Fock(HF)SCF方法

2.2 Mψller Plesset(MP)方法(对称性匹配的微扰方法)

3Gaussian98 程序的内存基组及含义

第三章Cp(CO)Ru{SiMe2(OMe)SiMe2}(R)和甲醇的反应机理理论研究

1.前言

2.计算方法

3.结果和讨论

4 结论

第四章Silyl(silylene)iron Complex催化腈的碳碳键断裂的反应的机理理论研究

1.前言

2.计算方法

3.结果与讨论

4结论

参考文献

硕士期间完成的论文

致谢