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溶剂和碱催化典型有机反应机理研究及实验条件优化认领

被引量： 3

作者：

袁海艳

学位授予单位：

东北师范大学

摘要：

对于合成化学而言,在绿色化学12项原则中安全溶剂使用、有效能源设计、及催化剂使用是其中关键的三项。实现绿色合成目标的关键在于选择可供替代的反应介质和反应条件,进而实现设计新的绿色化学过程。量子化学方法通过解薛定谔方程可实现高精度水平下预测不同反应条件下的最佳路径及相应过渡态结构从而获得活化参数,已成为化学合成研究中一种不可或缺的辅助手段。本论文中,我们采用量子化学计算手段研究易被忽视的实验反应条件对机理的影响,通过探究实验中的助剂(催化剂)、溶剂及抗衡离子对反应的影响进而优化反应条件,实现绿色合成。研究主要内容如下:1.采用B3LYP/6-31G(d,p)探究N-烷基-呋喃丙烯酰胺的分子内反迈克尔加成机理。基于同一底物可能的构象我们考虑三种可能反应路径,均经历三个阶段,包括碱Na H拔氢,经历反迈克尔(迈克尔)机理N–对Cα(Cβ)的亲核加成,及质子迁移得到产物Pr-5(Pr-6)。发现具有最稳定构象的底物所对应的反应路径最有利。分子内亲核加成的决速步为N–对Cα(Cβ)亲核加成的环化过渡态。在B3LYP/6-31G(d,p)水平下考虑了溶剂DMSO中的溶剂化效应,结果表明液相的反应趋势与气相一致。能垒差可以解释实验发现的区域选择性根源。进一步预测了N1和Cβ上取代基对区域选择性影响,拓展了该类反迈克尔加成反应有效底物的范围。2.采用密度泛函理论阐述硝基乙烷和α-烯酰基二硫缩烯酮的[5+1]苯环化机理。计算结果与实验发现一致,整个反应过程经历硝基乙烷去质子化、亲核加成、分子内环化、HNO2消除、及烯醇互变。我们还发现DMF和DBU不仅作溶剂和非亲核试剂,还在反应中作催化剂,通过分子间氢键和静电作用稳定过渡态和中间体。此外,过渡态中反应位点处的有效轨道交盖证明决速步为分子内环加。DFT计算机理表明氢键和静电相互作用是硝基乙烷和α-烯酰基二硫缩烯酮的[5+1]苯环化的关键因素。研究结果帮助实验研究者深入理解[5+1]环化合成中底物与溶剂及碱之间的结合模式,为进一步设计该类反应提供理论依据。3.采用DFT计算优化偕-二烷硫基乙烯联烯和苄胺的多米诺环化反应条件,实现绿色反应合成。我们发现绿色反应路径:即此反应可在水催化或苄胺自催化的无溶剂条件下发生。计算了三种反应类型(DMSO协助,痕量水催化,和苄胺自催化)均具有相同的反应机理M1:苄胺对硫代酰胺中间体Re上的联烯碳亲核进攻。对于水催化反应我们发现了另一个新的反应机理M2:苄胺进攻Re构象异构体的羰基碳。发现痕量水催化机理最有利,提供了一种有效、便捷地合成吡咯类化合物的绿色方法。同时DMSO并非是此反应必要溶剂。我们的计算结果进一步被实验所证实,为吡咯合成提供了一种新的绿色合成策略,实现了理论研究对实验合成的指导作用。4.采用DFT计算吡啶并二氢嘧啶酮形成中DBU和H2O的有效催化剂形式及机理。我们探究无催化剂协助、水催化、DBU和水共催化条件下三种主反应路径,三条路径都包含协同的亲核加成和H迁移、协同分子内环化和H迁移,Dimroth重排及产物形成过程。与其他两个路径相比,DBU和H2O共催化的路径最佳。水将自己的H传给DBU并从2-氨基-氰吡啶(1)上接受H,在质子迁移过渡态中以[DBU-H]+-H2O作为有效催化剂形式,而不是[DBU-H]+?OH-。[DBU-H]+···H2O···1-间氢键有效地降低了决速步活化能垒。我们的计算结果为绿色催化剂模型DBU-H2O打开新的思路。5.在B3LYP/6-31+G(d,p)水平下我们研究了两种NBS和查尔酮反应机理。分别为DBU催化NBS和查尔酮直接反应和DBU催化水与NBS反应后与查尔酮分步反应。计算结果表明分步反应为最佳路径。整个反应经历三个阶段:丁二酰亚胺和次溴酸的生成、水协助亲核进攻和去质子化及质子化、水协助烯醇互变。发现水在整个反应中起关键作用是质子传递体和稳定剂。此外,水的结合位点影响烯醇互变步活化能垒,三个水助的过程最有利。DBU与NBS间的静电作用及C-H···O,O-H···O,和C-H···π相互作用稳定过渡态结构,促进反应。我们的计算结果为DBU催化查尔酮胺化提供普适机理,在理论层面为实验研究者提供指导。

摘要译文

关键词：

碱和溶剂催化; 水催化; DBU-H2O; 反应机理; DBU/NBS

学位年度：

2015

学位类型：

博士

学科专业：

高分子化学与物理

导师：

张景萍

中图分类号：

O621.25[化学性质、有机化学反应]

学科分类号：

070303[有机化学];081704[应用化学]