（物理化学专业论文）过渡金属配合物引发cnc键的形成与断裂机理的理论研究.pdf

中山大学博士学位论文过渡金属配合物引发c - n c 键的形成与断裂机理的理论研究 论文题目： 专业名称： 学位申请人： 导师姓名： 过渡金属配合物引发c - n c 键的形成与断裂机理的理论研究 物理化学 王菊平 赵存元教授 摘要 氮是自然界中一种非常重要的元素，它普遍存在于生物体系中，是许多天然 化合物( 如氨基酸、生物碱类、卟啉类化合物、青霉素) 的重要组成成分。而且 在药物合成中，含氮的合成药物比天然产物更多。氮原子能够作为氢键的受体和 给体，能显著影响药物载体和靶点之间的相互作用。此外，胺的p k a s 通常在生理 p h 值范围内，这一特性使其能够大大提高药物的生物利用度。氮在材料科学中 也十分重要，在高聚物中添加氮元素能够有效改善高聚物的物理性质、电性质或 表面性质。因此，c - n c 键的形成和断裂是现代有机合成及其方法学的核心，其 机理广泛应用于基于碳氢化合物的新物质、新材料和新药物等合成的研究领域。 本文以分子轨道理论、过渡态理论和量子化学理论等为基础，利用密度泛函理论 ( d f t ) 、极化连续模型( p c m ) 和自然键轨道分析( n b o ) ，对所研究的体 系选择合适的基组，通过计算找出反应中各物种( 包括过渡态) 的优化构型，进 而得到体系的势能面、热力学数据和轨道的相关信息，利用这些数据综合分析反 应机理，为进一步的实验研究提供了理论依据。 全文共分六章。 第一章综述了金属配合物催化氮杂环丙烷化和饱和c h 键氮插入反应( c n 键的形成) 、c n 键断裂以及单、双卡宾体引发c - h 插入和环丙烷化反应机理及 本文的主要工作。、 第二章介绍了与本文相关的量子化学理论和计算方法，为本文的研究提供 了可靠的理论基础。 第三章利用b p w 9 1 方法研究双铑过渡金属配合物催化分子内c h 氮插入 氮杂环丙烷化竞争反应机理，得出如下结果：( 1 ) 金属一氮宾是氮传递的活化 中心。( 2 ) 当底物是含有c = c 双键的烯烃时( c = c 双键位于易发生c h 氮插入 反应的c 旁边) ，饱和c - h 氮插入和氮杂环丙烷化反应均以三重态( 金属一氮宾) 参与反应。( 3 ) 与催化剂r h 2 ( o a c ) 4 相比较，催化剂r h 2 ( s n a p ) 4 能大大提高饱和 i v 中山大学博士学位论文过渡金属配合物引发c n i c 键的形成与断裂机理的理论研究 c h 氮插入反应产物的比例，这与实验结果完全一致。因为三重态金属一氮宾发 生c h 氮插入反应时，n 进攻的是正h ，发生的是亲核反应，而r h 2 ( s n a p ) 4 所形成 的金属一氮宾上的n 带有更多的负电，h 带有更多的正电。因此，我们可预测， 加大催化剂中与双铑配位的两种原子的电负性差值，可显著提高c h 氮插入反应 产物比例。 第四章利用b p w 9 1 方法研究了分子内及分子间c h 氮插入的竞争反应机 理。得到如下结论：( 1 ) 对于分子内的c h 氮插入反应，3 0h ( 仅连接饱和烃) 和2 0h ( 旁边连接苯环) 都是以单重态反应为主，且竞争反应的产物以3 0h 的 c h 氮插入产物为主。( 2 ) 对于分子间的c h 氮插入反应，3 0h ( 仅连接饱和烃) 以单重态为主，但2 0h ( 旁边连接苯环) 以三重态为主，且其竞争反应产物以2 0 h 的c h 氮插入产物为主。这与实验结果一致。 第五章利用b 3 l y p 方法对c p z z r ( h ) c l k 丕原酰胺至醛的反应机理进行了研 究。该反应的第一步是c = o 双键通过“内”模式插入z r - h 键，形成一个z r o 中间体。 在无水条件下，z r - o 中间体的o c 键断裂导致亚胺阳离子的形成，这个反应在热 力学和动力学上都是非常不利的。然而，在有水条件下，水参与了反应，在水氢 键的帮助下，z r - o 中间体的o c 键断裂导致亚胺阳离子的形成，而且这一步是反 应的决速步骤，其活化能为1 9 8k c a l m o l 。随后，一个水分子进攻亚胺阳离子， 产生胺中间体。最后，在水的催化下，c n 键断裂，发生消去反应得到产物醛。 在整个反应过程中，水氢键在c o 键和c n 键断裂中起了非常重要的作用。整个 反应过程表明产物醛基中o 和h 分别来自水和c p 2 z r ( h ) c i ，这与g e o r g d 、组的实验 结果完全一致。 第六章利用b 3 l y p 方法对锇单卡宾配合物 o s ( f 2 0 t p p ) ( c p h 2 ) c o 和锇双卡 宾配合物 o s ( f 2 0 t p p ) ( c p h 2 ) 2 弓 发c h 插入及环丙烷化反应进行了详细的量子化 学研究，研究内容主要包括锇单卡宾和锇双卡宾配合物c h 插入及环丙烷化反应 活性比较、双卡宾取代基效应和电子效应。得出以下结论：( 1 ) 锇双卡宾比锇 单卡宾更容易发生环丙烷化和c h 插入反应。( 2 ) 当锇双卡宾c 对位上的h 分别 用甲基或氯取代时，卡宾苯环上c h 插入反应活性没有明显变化。( 3 ) 当锇双 卡宾分别与反应物h s i ( c h 3 ) 3 和h n ( c h 3 ) 2 反应时，由于电负性n s i ，所以前者的 反应活化能比后者要低2 9k c a l m o l 。 关键词：密度泛函理论、过渡金属、氮杂环丙烷化、c h 插入、环丙烷化 v 中山大学博士学位论文 过渡金属配合物引发c n c 键的形成与断裂机理的理论研究 t i t l e ：t h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h em e c h a n i s m so fc n cf o r m a t i o na n dc l e a v a g e p r o m o t e db yt r a n s i t i o nm e t a lc o m p l e x e s m a j o r p h y s i c a lc h e m i s t r y n a m e ：j u p i n gw a n g s u p e r v i s o r ：p r o f c u n y u a nz h a o a b s t r a c t n i t r o g e ni sak e ya t o mi nn a t u r e ，f o u n di ns e v e r a lw e l lk n o w nn a t u r a lp r o d u c t f a m i l i e ss u c ha sa m i n oa c i d s ，a l k a l o i d s ，p o r p h y f i n sa n dp e n i c i l l i n s m o r e o v e r ， n i t r o g e ni su b i q u i t o u si nb i o l o g y ，w i t hs y n t h e t i cd r u g sg e n e r a l l yc o n t a i n i n gm o r e n i t r o g e nt h a nn a t u r a lp r o d u c t s i t sa b i l i t yt oa c ta sah y d r o g e nb o n dd o n o ra n d o r a c c e p t o rs t r o n g l yi n f l u e n c e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h em e d i c i n a la g e n ta n di t st a r g e t i na d d i t i o n ，t h ep 局so fa m i n e sa r eo f t e ni nt h er a n g eo f p h y s i o l o g i c a lp h ，ap h y s i c a l p r o p e r t y e s s e n t i a lf o r i m p r o v i n gt h eb i o a v a i l a b i l i t yo fd r u g s n i t r o g e ni s a l s o i m p o r t a n ti nm a t e r i a ls c i e n c e s ，w h e r ei t sp r e s e n c ei nt h es t r u c t u r e so fp o l y m e r sc a l l h a v eap r o f o u n de f f e c to nt h e i rp h y s i c a l ，e l e c t r o n i co rs u r f a c ep r o p e r t i e s t h e r e f o r e ， t h e r eh a sb e e nm u c he f f o r tw h i c ha i m sa tt h ed e v e l o p m e n to ft h em e t h o d o l o g yf o r f o r m a t i o no fc n ca n dc l e a v a g eo fc nb o n d n o wt h er e a c t i o nm e c h a n i s m sa r e w i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do ft h ep r e p a r a t i o no fn e ws u b s t a n c e s ，m a t e r i a l sa n dd r u g s i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h em o l e c u l a ro r b i t a lt h e o r ya n dt h et r a n s i t i o ns t a t et h e o r y ，t h e i n v o l v i n gs y s t e m sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) ， t h ep o l a r i z e dc o n t i n u u mm o d e l ( p c m ) a n dt h en a t u r a lb o n do r b i t a l ( n s o ) t h e s t r u c t u r e so ft h es p e c i e s ( i n c l u d i n gt h et r a n s i t i o ns t a t e s ) a l o n gt h er e a c t i o np a t h sh a v e b e e no p t i m i z e d t h ec a l c u l a t i o n sp r o v i d e dt h er e a c t i o np r o f i l e s ，t h et h e r m o d y n a m i c d a t u m 鹤w e l l 弱t h ei n f o r m a t i o no fo r b i t a l s w h i c hc a nb eu s e dt oa n a l y z et h e c o r r e s p o n d i n gr e a c t i o nm e c h a n i s ma n ds u p p l yt h et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rr e l a t i v e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h ew h o l ep a p e rc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s c h a p t e rim a i n l yr e v i e w st h ea z i r i d i n a t i o na n dt h ei n s e r t i o no fc hb o n d c a t a l y s e db yt r a n s i t i o nm e t a lc o m p l e x e s ( f o r m a t i o no fc nb o n d ) ，c l e a v a g eo fc n b o n d t h em e c h a n i s mo ft h ei n s e r t i o no fc hb o n da n dc y c l o p r o p a n a t i o np r o m o t e db y v i 中山大学博士学位论文过渡金属配合物引发c - n c 键的形成与断裂机理的理论研究 m o n o c a r b e na n db i s c a r b e n e b e s i d e s ，t h em a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r ei n t r o d u c e d t h es e c o n dc h a p t e rs u m m a r i z e st h et h e o r yo fq u a n t u mc h e m i s t r ya n dc a l c u l a t i o n m e t h o d so ft h i sp a p e r i to f f e r su s e f u la n dr e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep a p e r i nc h a p t e r3 ，t h em e c h a n i s m so nd i r h o d i u m c a t a l y z e di n t r a m o l e c u l a ra m i n a t i o n a n da z i r i d i n a t i o nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o n s d o n ea tt h eb p w 91l e v e lo ft h e o r y o u rc a l c u l a t i o n ss u g g e s t ：( 1 ) t h em e t a l n i t r e n e i st h ea c t i v ec e n t e ro ft r a n s i t i v en i t r o g e na t o m ( 2 ) w h e nt h es u b s t a t ei sa l k e n ew i t h d o u b l eb o n d ( c = cn e x tt oco fa m i n a t i o n ) ，m e t a l n i t r e n et r i p l e t sa r et h ed o m i n a n t r e a c t i v es t a t e si nb o t ha m i n a t i o na n da z i r i d i n a t i o n ( 3 ) c o m p a r e dt or h 2 ( o a c ) 4 ，t h e c a t a l y s tr h 2 ( s n a p ) 4w o u l dg r e a t l ye n h a n c et h er a t i o o fa m i n a t i o n ，w h i c hi si n a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b e c a u s ee l e c t r o n e g a t i v en i t r o g e ni nt r i p l e t m e t a l n i t r e n e sw o u l da r a c ke l e c t r o p o s i t v ehi na m i n a t i o na n di t st h en u c l e o p h i l i c r e a c t i o n n i t r o g e ni nt h em e t a l n i t r e n ef r o mr h 2 ( s n a p ) 4i sm o r ee l e c t r o n e g a t i v ea n d h y d r o g e na t t a c k e d i sm o r ee l e c t r o p o s i t i v e t h e r e f o r ei tc a r lb ep r e d i c t e dt h a t e n l a r g i n gt h ee l e c t r o n e g a t i v i t yd i f f e r e n c eo fc o o r d i n a t i o na t o m so nc a t a l y s t r h 2 1 i n w o u l de n h a n c et h er a t i oo fa m i n a t i o np r o d u c t i nc h a p t e r4 ，t h em e c h a n i s m so fi n t r a m o l e c u l a ra n di n t e r m o l e c u l a ra m i n a t i o n h a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o n sd o n ea tt h e b p w 91l e v e lo ft h e o r y o u rc a l c u l a t i o n ss u g g e s t ：( 1 ) t h a ts i n g l e tm e t a l n i t r e n ei st h e d o m i n a n ts t a t e sf o r3 0ha n d2 0ho fi n t r a m o l e c u l a ra m i n a t i o n t h ep r o d u c tr a t i oo f 3 0hi sh i g h e s t ( 2 ) a sf o ri n t e r m o l e c u l a ra m i n a t i o n ，s i n g l e tm e t a l - n i t r e n ei st h e d o m i n a n ts t a t ef o r3 0hw h i l et r i p l e tf o r2 0h t h ep r o d u c tr a t i oo f2 0hi sh i g h e s t t h e s er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nc h a p t e r5 ，d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) c a l c u l a t i o n sa tt h eb 3 l y pl e v e lo f t h e o r yw e r ep e r f o r m e dt o e l u c i d a t et h er e a c t i o nm e c h a n i s mf o rt h er e d u c t i o no f a m i d e st oa l d e h y d e su s i n gc p 2 z r ( h ) c ia sar e d u c e r t h ef i r s ts t e po ft h er e a c t i o ni s t h ei n s e r t i o no ft h ec - - om o i e t yi n t oz r ht h r o u g ha n “i n s i d e m o d eo fa c t i o nt h a t l e a d st ot h ef o r m a t i o no faz r oi n t e r m e d i a t et h a th a sb e e no b s e r v e di np r e v i o u s l y r e p o a e de x p e r i m e n t s u n d e ra n h y d r o u sc o n d i t i o n s ，t h ec l e a v a g eo f t h eo cb o n do f t h ez r 0i n t e r m e d i a t er e s u l t si nt h ef o r m a t i o no fa ni m i n i u mc a t i o n b u tt h i sp r o c e s s i sb o t hk i n e t i c a l l ya n dt h e r m o d y n a m i c a l l yu n f a v o r a b l e n e v e r t h e l e s s ，u n d e rh y d r o u s c o n d i t i o n s t h ec l e a v a g eo ft h eo cb o n do ft h ez r oi n t e r m e d i a t el e a d st ot h e v i i 中山大学博士学位论文过渡金属配合物引发c n c 键的形成与断裂机理的理论研究 f o r m a t i o no fah i g h l ya c t i v ei m i n i u mc a t i o ni n t e r m e d i a t e ，a n dt h i sp r o c e s so c c u r s w i mt h ea s s i s t a n c eo fw a t e rh y d r o g e nb o n d i n g t h i ss t e pi sa l s ot h er a t e d e t e r m i n i n g s t e p ，a n dt h ea c t i v a t i o ne n e r g yw a sd e t e r m i n e dt ob e1 9 8k c a l m 0 1 s u b s e q u e n t l ya w a t e rm o l e c u l ea t t a c k st h ei m i n i u mc a t i o nt op r o d u c ea na m i n ei n t e r m e d i a t e f i n a l l y ， t h ew a t e r - c a t a l y z e de l i m i n a t i o nr e a c t i o ni n c l u d i n gt h ec l e a v a g eo fc - nb o n d i n g o c c u r st oy i e l dt h ea l d e h y d ep r o d u c t w a t e rh y d r o g e nb o n d i n gp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei na s s i s t i n gt h ec l e a v a g eo ft h eo ca n dt h ec nb o n d sd u r i n gt h er e a c t i o n t h e a b o v er e a c t i o nm e c h a n i s mi n d i c a t e st h a tt h es o u r c e so ft h ea l d e h y d e g r o u po x y g e n a n dt h eh y d r o g e ni nt h ea l d e h y d ep r o d u c ta r eh 2 0a n dc p 2 z r ( h ) c 1 ，r e s p e c t i v e l y ， w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n so fg e o r ga n dc o w o r k e r s i n c h a p t e r6 ，w eh a v e s t u d i e dt h em e c h a n i s mo ft h ec - hi n s e r t i o na n d c y c l o p r o p a n a t i o np r o m o t e db ym o n o c a r b e n e 【o s ( f 2 0 t p p ) ( c p h 2 ) c o 】a n db i s c a r b e n e 【o s ( f 2 0 t p p ) ( c p h z ) z 】i nd e t a i lu s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o n sd o n ea t t h eb 3 l y pl e v e lo ft h e o r y t h i sc h a p t e rm a i n l yr e f e r st ot h ea c t i v ec o m p a r i s i o no f t h ec hi n s e r t i o na n de y c l o p r o p a n a t i o nb e t w e e nm o n o c a r b e n ea n db i s c a r b e n e ，t h e s u b s t i t u e n te f f e c t sa n de l e c t r o n i ce f f e c t so fb i s e a r b e n e t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b i s c a r b e n e i sm o r ea c t i v et h a nm o n o c a r b e n ef o rc hi n s e r t i o na n d c y c l o p r o p a n a t i o n ( 2 ) t h ea c t i v i t yo n l yc h a n g e ss l i g h t l y w h e nt h eho nt h e p a r a p o s i t i o no fb i s c a r b e n e ci sr e p l a c e db yc h 3o rc i ( 3 ) w h e nb i s c a r b e n er e a c t s w i t hh s i ( c h 3 ) 3a n dh n ( c h 3 ) 2 ，r e s p e c t i v e l y ，t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo ft h er e a c t i o n b e t w e e nb i c a r b e n ea n dh s i ( c h 3 ) 3i s2 9k c a l m o ll o w e rt h a nt h a to fh n ( c h 3 ) 2 i t s b e c a u s et h ena t o mi sm o r ee l e c t r o n e g a t i v et h a ns i k e y w o r d s ：d f t ，t r a n s i t i o nm e t a l ，a z i r i d i n a t i o n ，c - hi n s e r t i o n ，c y c l o p r o p a n a t i o n 中山大学博士学位论文 过渡金属配合物引发c n c 键的形成与断裂机理的理论研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：驹于 日期：驯年多月j 日 中山大学博士学位论文 过渡金属配合物引发c - n c 键的形成与断裂机理的理论研究 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内 容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存 学位论文。 学位论文作者签名：曼甬彳 日期：2 0 o 年l 月岁日 i i 导师签名移氰9 导师签名：必、7 f 日期：驯。年6 月e t 中山大学博士学位论文 过渡金属配合物引发c - n c 键的形成与断裂机理的理论研究 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导 下完成的成果，该成果属于中山大学化学与化学工程学院，受国家 知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申 请专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人 不得以任何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文 成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名壶旬中 1 1 1 日期：冲年6 胪日 中山大学博士学位论文过渡金属配合物引发c n c 键的形成与断裂机理的理论研究 第一章绪论 1 1 过渡金属配合物引发c n 键的形成与断裂 氮是自然界中一种非常重要元素，它普遍存在于生物体系中，是许多天然化 合物( 如氨基酸、生物碱类、卟啉类化合物、青霉素) 的重要组成成分。而且在 药物合成中，含氮的药物比天然产物更多【l 】。氮原子有传递正电荷的作用，而且 能够作为氢键的受体和给体，能显著影响药物载体和靶点之间的相互作用。除此 之外，胺的p k a s 通常在生理p h 值范围内，这是使它能够大大提高药物的生物利 用度的重要物理特性。最后，氮在材料科学中也十分重要，在高聚物中添加氮元 素能够有效改善高聚物的物理性质、电性质或表面性质【2 l 。因此，研究c n 键的 形成与断裂是当前前沿科学研究热点之一。 碳氢化合物的官能化( 如c h 断裂形成c n o ) ，是现代有机合成及其方法 学的核心，广泛应用于在基于碳氢化合物的新物质、新材料和新药物等合成研究 领域。i m sh e a l t h 全球市场年度报告揭示，2 0 0 6 年投放市场的3 7 个新药和2 0 7 5 个临床试验药物中，绝大部分都是官能化的碳氢化合物分子【3 l 。在碳氢化合物的 官能化中，其中碳氮键的形成与断裂是当前理论研究热点之m 4 1 ，而金属氮宾 ( m e t a l n i t r e n e ) 扮演极其重要的角色，往往是高效的催化前驱体或者关键的活性 中间体，因而受到了广泛的关注，是当前催化合成研究热点之一【5 之5 1 。 c - n 键的形成目前主要来源于两类反应，一类是c h 氮插入，另一类是氮 杂环丙烷化。当作为底物烃类中含有c = c 双键时，氮源与催化剂形成金属氮宾 ( m e t a l n i t r e n e ) ，此时，金属氮宾( m e t a l n i t r e n e ) 作活性中间体，既可能发生分子 c h 键氮插入反应，也可发生氮杂环丙烷化反应，且不同的过渡金属催化剂( 包 含不同金属及不同配体) 、不同的底物，得到的竞争产物比例不同，甚至完全相 反。因此c h 键氮插入和氮杂环丙烷化反应的相互竞争是在金属氮宾催化体系 中存在的一个重要问题【2 6 2 8 1 。在实验方面，j d ub o i s 等科研小组在该方面做了 一系列铑金属催化体系c h 键氮插入和氮杂环丙烷化反应( 见图1 1 ) ，试图找 出该竞争反应的控制因素，但因影响因素过多，目前尚未有普遍适用的结论。其 他研究工作者，对锰、钉金属催化体系的研究，发现对于环烯烃底物，c h 键氮 第一章绪论 插入反应比氮杂环丙烷化要容易些【2 9 1 。显然催化剂的性质和底物的不同对两种反 应的竞争有实质影响。因此c h 键氮插入和氮杂环丙烷化是金属氮宾催化领域 最有潜力的两种催化反应，是该领域富有挑战的热点课题。但是如何选择催化 体系，或者修饰底物，及对目标烯烃进行选择性的c h 键氮插入或者氮杂环丙 烷化尚不明确，急需理论层面的研究提供深入的认识和有效的指导。 吣2 t 0 0 1 蟛 r 瑚蓄r 厕+ rr a 八爿 裂弱2r 姒爿 k 图1 1c h 氮插入及氮杂环丙烷化竞争反应示例图 氮杂环环丙烷是一类具有生物活性的三元杂环化合物，可以通过金属氮宾催 化烯烃底物得到。氮杂环丙烷存在于某些具有生物活性的天然产物中，具有抗病 毒、抗肿瘤以及其它生物活性。由于其三元环结构的环张力，氮杂环丙烷表现出 亲电反应性能，可接受多种亲核试剂进攻而得到立体或区域选择性的开环产物， 是合成含氮官能团化合物的高用途中间体，具有很大的合成价值。近年来氮杂环 丙烷化合物在构建具有生理活性的天然产物上显示了巨大的应用潜力刚；氮杂环 丙烷的另一重要应用是对d n a 的化学修饰上，从而形成具有抗肿瘤活性的药物 3 1 1 。金属氮宾催化氮杂环丙烷化的突出优点是可以得到对映选择性的产物，如何 设计高效、高对映选择性的金属氮宾催化体系，一直是氮杂环丙烷化合物合成领 域富有挑战的热点课题。 c h 键氮插入在有机化学中的影响日益增大，其已成为合成含c - n 键化合 物的有力工具【3 2 4 1 1 ，是c n 键的另一种形成方法( 见图1 2 ) ，c h 键氮插入既 包含分子内c h 氮插入，也包含分子间c h 氮插入。有非常重要的研究价值和 广阔的应用前景，被列为催化化学的十大难题之一。广泛应用于生理活性分子研 究和药物筛选、代谢和神经相关的生命科学研究、生物大分子修饰、分子开关和 材料功能化等各种领域。同一烃类化合物，其包含各种各类的c h 官能团，因 此如何选择性的对目标c h 进行催化氮插入将一直是金属氮宾催化c h 键氮插 入反应的巨大挑战和长期目标。近年来，j d ub o i s 小组、支志明小组、h u wm l d a v i e s 小组在这方面做了大量有意义的研究工作。 中山大学博士学位论文过渡金属配合物引发c - n c 键的形成与断裂机理的理论研究 过渡金属配合物催化c h 氮插入反应备受关注。在这类反应的催化过程中 氮宾部分( 在一金属离子的参与下) 嵌入c h 键后形成c n 键的步骤最为重要。 虽然具有活性的金属氮宾中间体( 其氮宾部分通常以p h i = n y ( 其中y = s 0 2 - s 0 3 r ，一c o o r , 一t s ) ，p h i ( o a c ) 2 + h 2 n - y ，或者p h i o + h 2 n y 等作为起始原 料) 在这类反应中常常被提到。目前对c h 氮插入的反应机理有两种主流看法， 见图1 3 。 n r l 之 o 声义 l g 再人 尺台d u c t i v e a m i n a t i o n n u c l e o p h i i c - - _ _ - - _ - _ - _ - - - _ _ - - 。_ s u b s t i t u t i o n l m i n e a | 时潮i o n a | 嘲n e n l h r h y d r o a m i n a t i o n r e a l y r i c a m i n a f i o n r c i c - h a m i n a t i o n r 冬i x r 冬 a l k e n y l , a 吖| b u c h w a l d - 图1 2c h 氮插入形成c n 键的反应 n h r l 匙滟? 必一，弋父甲 j 、 飞ja 义 第一章绪论 系引发剂量式的分子问胺化的反应研究中，有人认为存在碳自由基活性中间体【2 9 1 ； 但是另一些体系中，也有人提出了单重态协同一步的反应机理【4 2 】。对于氮杂环丙 烷化反应，也可能存在协同单步反应路径和分步的成环反应路径等不同机理。如 果是三重态的金属氮宾，也可能会通过碳自由基中间体，或者碳正离子中间体， 然后形成氮杂环。由于这些中间体存在s i g m a 键的旋转，所以，这些不同反应路 径的竞争，将会直接影响反应的速率和立体选择性差异。一般认为协同反应更加 容易得到立体专一的产物。了解反应机理的可调控因素，可以有效指导合成立体 专一的催化剂。同时我们也应该清楚认识到，不同的反应机理，会导致不同的化 学选择性和区域选择性。 由于催化c h 键氮插入和氮杂环丙烷化反应的催化体系一般是比较复杂的 过渡金属体系，有的甚至是模拟酶催化剂。所以对这类型催化体系及其催化反应 机理的研究对理论化学家来讲是一项很具挑战的工作。特别是当这种体系涉及到 催化体系的自旋多重态和多态反应问题的时候，要特别注意选择合适的理论方法 来准确描述体系的性质和能量。由于h f 和p o s t h f 自身的限制，密度泛i 函( d f t ) 方法仍然是处理催化体系( 特别是含后过渡金属的催化体系) 的普遍方法，被广 泛应用于各种有机金属催化体系，还有金属酶催化、酶模拟催化等等方面的研究。 但是，文献报道证明，不同的催化体系需要用到不同的d f t 泛函【4 3 1 。特别是当 体系涉及到不同自旋多重度的配合物和中间体的时候。h f 由于自身在费米相关 和库仑相关上的特点，往往会低估高自旋态。而l d a 则相反，由于考虑了过多 的电子相关，所以往往会低估低自旋态。因此在处理这样的体系时，要特别注意 选用合适的d f t 泛函，并且和c a s s c f 以及p o s t h f 方法比较。对r h 2 u 1 1 金属 氮宾催化剂的结构及其催化c h 键氮插入反应的研究发现，杂化d f t 方法，例 如b 3 l y p 和b h a n d h l y p 等得到的结果比较差，而纯的g g a d f t 方法则可以 得到比较好的结果，与高水平的c c s d ( t ) 计算结果符合得很好。 本文第四章应用b p w 9 1 密度泛函方法对分子内和分子间c h 氮插入反应进 行了详细的理论研究和比较。 综观上述国内外研究情况，作为碳氢化合物的官能化领域富有挑战前沿课 题，金属氮宾催化c h 键氮插入和氮杂环丙烷化面临许多反应机理的难题亟待 解决。本文以理论化学为基础，利用密度泛函理论，对分子内和分子间金属氮宾 4 中山大学博士学位论文过渡金属配合物引发c n c 键的形成与断裂机理的理论研究 催化c h 键氮插入和氮杂环丙烷化反应机理进行系统的理论研究，重点解决反 应活性中间体、多态反应路径、化学选择性和立体选择性的机理，以及c h 键 氮插入和氮杂环丙烷化的反应可控等问题。通过理论研究，希望能够有效预测和 指导设计高效，高选择性的新型金属氮宾催化c h 键氮插入或氮杂环丙烷化体 系，并将为实现这两类反应的可调控打下理论基础。 c n 键普遍存在于氨基酸、生物碱类、卟啉类、酰胺类化合物、青霉素等。 这些化合物水解过程中常包含有c - n 键的断裂，而且根据实验，对不同化合物， c - n 键断裂机理不同。例如，酰胺水解中c n 键的断裂机理与胺消除反应中c n 键断裂机理完全不同，因此，c n 键断裂机理研究也是目前的研究热点之一。 1 2 过渡金属引发卡宾c h 插入及环丙烷反应 卡宾是一种非常活泼的自由基，结构如下所示： 三挚 两个电子占据同一个轨道的为单线态卡宾，两个电子分别占据两个轨道，其 自旋方向可以相同，则为三线态卡宾m 4 7 1 。卡宾究竟以哪种状态参加反应，一般 取决于其反应的条件。当卡宾和其它配体共存时，可与金属生成金属卡宾配合物。 金属卡宾配合物分为f i s c h e r 型和s c h r o c k 型两类。一般认为，卡宾碳原子把印2 杂化的孤对电子给金属