過(guò)渡金屬催化自由基-自由基交叉偶聯(lián)反應(yīng)的理論研究.pdf

1、經(jīng)過(guò)一百多年的研究與探索，自由基化學(xué)在21世紀(jì)進(jìn)入了飛速發(fā)展的新階段。隨著一系列自由基反應(yīng)在藥物分子設(shè)計(jì)和天然產(chǎn)物全合成中的成功使用，自由基化學(xué)再次引起了有機(jī)化學(xué)家們的廣泛重視。此外，過(guò)渡金屬催化和光催化反應(yīng)的不斷發(fā)展也極大豐富了自由基的種類(lèi)，拓寬了自由基反應(yīng)的應(yīng)用范圍。在當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)下，自由基化學(xué)領(lǐng)域面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。如何解釋自由基反應(yīng)的機(jī)理，理解自由基偶聯(lián)成鍵的本質(zhì)，揭示自由基反應(yīng)的一般規(guī)律，成為當(dāng)下自由基化學(xué)研究的重中之重。<

2、br>　　借助理論計(jì)算化學(xué)的優(yōu)勢(shì)，本論文探討了自由基物種的反應(yīng)特性，系統(tǒng)研究了過(guò)渡金屬催化自由基-自由基偶聯(lián)成鍵的具體過(guò)程。我們創(chuàng)造性的提出了分步偶聯(lián)模型解釋這類(lèi)反應(yīng)的機(jī)理，同時(shí)利用自由基親電性、親核性能力的差別解釋了反應(yīng)中交叉偶聯(lián)選擇性的來(lái)源。這些結(jié)論為今后自由基-自由基偶聯(lián)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，將有效的推動(dòng)自由基化學(xué)的發(fā)展。本論文主要獲得以下研究成果：
　　1.在Ni催化α-羰基烷基溴化物與烯烴的自由基加成反應(yīng)中，機(jī)理

3、研究表明α-羰基烷基溴化物會(huì)與Ni(I)物種發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，引發(fā)C–Br鍵均裂，生成的叔碳自由基隨后進(jìn)攻烯烴的碳碳雙鍵，得到穩(wěn)定的碳自由基。接下來(lái)的理論計(jì)算排除了用Ni(II)將碳自由基氧化成碳正離子，通過(guò)碳正離子親核進(jìn)攻羰基成環(huán)的可能性，同時(shí)證明了碳自由基對(duì)羰基的加成可以有效的構(gòu)建C–O鍵，為有機(jī)合成中C–O鍵的生成提供了新的方法。
　　2.自由基物種一直是光催化反應(yīng)中的重要活性中間體。對(duì)α-酮酸自由基脫羧胺化反應(yīng)的理論研究表明，

4、?；杂苫梢越邮鼙桨返挠H核進(jìn)攻，經(jīng)過(guò)一個(gè)偶極的自由基中間體生成酰胺產(chǎn)物。靜電勢(shì)能面計(jì)算揭示該中間體具有兩性離子的特征，其中正電荷集中在胺基的氮原子上，負(fù)電荷集中在羰基的氧原子上。這一成鍵過(guò)程不同于自由基對(duì)不飽和鍵的進(jìn)攻，由苯胺提供孤對(duì)電子成鍵，自由基一直保留在羰基碳原子上，該結(jié)果極大加深了我們對(duì)自由基反應(yīng)性質(zhì)的理解。
　　3.Glaser-Hay反應(yīng)作為一類(lèi)重要的人名反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)理始終有待解決，尤其是碳碳成鍵的具體過(guò)程。通過(guò)對(duì)

5、最新報(bào)道的 Cu(II)/Cu(I)協(xié)同催化苯乙炔自偶聯(lián)反應(yīng)的機(jī)理研究，我們揭示出在碳碳成鍵過(guò)程中，二價(jià)炔銅首先發(fā)生二聚得到穩(wěn)定的三重態(tài)炔銅二聚物，由于在三重態(tài)勢(shì)能面上發(fā)生1，2-碳碳還原消除能壘較高，該二聚物隨后會(huì)經(jīng)過(guò)最低能量交叉點(diǎn)（MECP）生成低自旋的單重態(tài)炔銅二聚物。最后在單重態(tài)勢(shì)能面上發(fā)生1，2-碳碳還原消除，生成炔烴自偶聯(lián)產(chǎn)物。理論計(jì)算表明，該反應(yīng)中碳碳成鍵的過(guò)程實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)炔基自由基自偶聯(lián)的過(guò)程，這一發(fā)現(xiàn)為之后的自由基

6、-自由基交叉偶聯(lián)反應(yīng)研究打下良好基礎(chǔ)。
　　4.在Cu催化的C–N自由基-自由基交叉偶聯(lián)反應(yīng)中，其偶聯(lián)機(jī)理和交叉偶聯(lián)選擇性的來(lái)源都是本論文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。密度泛函計(jì)算表明，反應(yīng)過(guò)程中Cu(I)更傾向于與氮自由基結(jié)合，而生成的 Cu(II)–N物種則更傾向于與碳自由基結(jié)合，得到穩(wěn)定的Cu(III)中間體，最終的雙電子轉(zhuǎn)移/還原消除過(guò)程將構(gòu)建新的C–N鍵。此外，借助自由基全局親電性ω°和全局親核性N°的概念，本論文還研究對(duì)比了體系中各

7、類(lèi)自由基的電子性質(zhì)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)中的氮自由基是貧電子的親電自由基，碳自由基是富電子的親核自由基，因此氮自由基會(huì)首先與富電子的Cu(I)結(jié)合，而生成的貧電子 Cu(II)–N自由基則傾向于與碳自由基結(jié)合，也就是說(shuō)反應(yīng)過(guò)程中不同價(jià)態(tài)的銅化合物傾向于穩(wěn)定具有不同電子性質(zhì)的自由基，結(jié)合各自由基的電子性質(zhì)，從而解釋了交叉偶聯(lián)選擇性的來(lái)源。
　　5.在得到過(guò)渡金屬催化自由基-自由基分步偶聯(lián)模型之后，我們還將其應(yīng)用到Ni催化的酰胺和四氫呋

8、喃的自由基偶聯(lián)反應(yīng)中。研究結(jié)果表明，該分步偶聯(lián)模型同樣適用于Ni催化的C–N自由基-自由基交叉偶聯(lián)反應(yīng)，并且反應(yīng)選擇性的來(lái)源也可以通過(guò)不同自由基物種的電子性質(zhì)差異來(lái)解釋?zhuān)?dāng)兩種自由基的親電性和親核性相互匹配時(shí)傾向于發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)。因此，我們提出的自由基-自由基分步偶聯(lián)模型被證明具有一定的普適性，有望用來(lái)解釋這一類(lèi)反應(yīng)的機(jī)理。不僅如此，自由基全局親電性ω°和全局親核性N°的計(jì)算還可以用來(lái)預(yù)測(cè)不同自由基發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)的可行性，使理論指導(dǎo)