（物理化学专业论文）噁唑硼烷催化剂及其不对称还原反应的机理研究.pdf

s t u d y o no x a z a b o r o l i d i n e c a t a l y s t s a n dt h e m i c h a n i s mo fe n a n t i o s e l e c t i v er e d u c t i o n r e a c t i o n s p e c i a l t y ：p h y s i c a lc h e m i s t r y s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rm i n g l i a b s t r a c t r e s e a r c h ：q u a n t u mc h e m i s t r y g r a d u a t e ：r o n g x i n g h e t h eu s eo f c h i r a lm a t e r i a l si se x t e n s i v ei no u r1 i f e me n a n t i o s e l e c t i v e c a t a l y t i cr e a c t i o n i s c o n s i d e r e dw i d e l yt ob ea i 3i m p o r t a n tw a yb yw h i c hg h i r a lo o m p o u n d sa r e g e n e r a t e d m u l t i f a r i o u sc a t a l y s t sa r eu s e di ne n a n t i o s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e a c t i o n sf o rt h es a k eo f o b t a i n i n g c h i l a lc o m p o u n d sa n dt h ec h i v a lo x a z a b o m l i d i n e sc a t a l y s t sw e r ea t t a c h e dh i 吐i m p o r t a n c et o b c c 且1 1 s eo ft h e i ru n i q u ec h a m c t e r i s t i c s i nt h ep r e s e n tp a p e r , t h ee n a n f i o s e l e c t i v er e d u c t i o no f p r o c h i r a lk e t o n ew i t hb o r a n ea n dt h ee n a n t i o s e l e c t i v e r e d u c t i o no fp r o e h i r a la l d e h y d ew i t h a l k y n y l b o r a n ec a t a l y z e db y 吐【砌o x a z a b o m l i d i n e sa r ei n v e s t i g a t e d r e s p e c t i v e l y , b ym e a n s o f t h es e m i - e m p i r i e a la m lm o l e c u l a ro r b i t a lm e t h o da n dt h ea bi n i t i om o l e c u l a ro r b i t a lm e t h o d t h em e c h a n i s m so f t h e s ee n a n t i o s e l e c f i v er e d u c t i o n sa i ed i s c u s s e di nd e t a i l c o m p u t a t i o n s o f t h ee n a n f i o s e l e e t i v er e d u c t i o no f p - m e 4 h o x y h y p n o n ew i t hb o r a n e c a t a b - z e db yc b sc a t a l y s t s i nt h i s 哦t h e s e m i - e m p i r i c a la m l m o l e c u l a ro r b i t a lm e t h o di se m p l o y e dt os t u d yt h e e n a n f i o s e l e c f i v er e d u c t i o no fp - m e t h o x y h y p n o n ew i t hb o r a n ec a t a l y z e db yg h i r a lp y r m l i d i n o 3 耳c 1o x a z a b o r o l i d i n e 1 h ec a t a l y s ta n da t lt h e s t l z l c t u r e so f t h ei n t e r m e d i a r ya n dt h et r a n s i t i o n s t a t e si nt h i se n a n f i o s e l e c t i v er e d u c t i o na r eo p t i m i z e dc o m p l e t e l ya n dt h ee f f e c t so f v a r i a t i o n si n t h es t r u c t u r e so ft h ei n t e r m e d i a r ya n dt h et r a n s i t i o ns l a t e s 0 i it h ee n a n t i o s e l e e t i v ec a t a l y t i c r e d u c t i o na r es t u d i e d a ss h o w n , t h e c a t a l y s ta n d a l lt h ei n t e r m e d i a r ys t a t e sh a v en oi m a m a r y f r e q u e n c i e sa n d a l lt h et r a n s i t i o ns t a t e sh a v es o l ei m a 百n a r yf r e q u e n c i e s 1 1 l ea c t i v a t i n ge n e r g i e s o fa l lt h et r a n s i t i o ns t a t e sa r ea n a l y z e da n dt h er e d u c t i o nm e c h a n i s mi se x p l a i n e d 1 1 1 e t h e o r e t i c a lr e s u l ti si na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t 1 1 1 ec o n t r o l l i n g - v e l o c i t ys t e pf o rm e e n a n t i o s e l e c t i v er e d u c t i o ni st h ed e c o m p o s i t i o no f t h eb o - b - n4 - n u m b e r e dr i n g q 1 1 8 n t l l n lc h e m i c a ls t u d y o i lt h em e c h a n i s mo f e n a n t i o s e l e e t i v ea l k n y l a t i o n o f a l d e h y d e sc a t a l y z e do x a z a b o r o f i d i n e s 丑1 em e c h a n i s mo f t h ee n a n t i o s e l e c f i v er e d u c t i o no f a l d e h y d e w i t h a l k y n y l b o r a n ec a t a l y z e d b y ( 4 s ) - o x a z a b o m l i d i n e si s s t u d i e db ym e a l l so f 廿l ed f tm e t h o d t h ec a t a l y s ta n da l lt h e s t r u c t u r e so ft h ei n t e r m e d i a r ya n dt h ei r a n s i f i o ns t a t e s f o rt h i s a l k y n y l a t i o n a r eo p t i m i z e d c o m p l e t e l ya t 恤b 3 l y p 6 3 1 g ( d ) 1 e v e l t h ec a t a l y s ta n d a l lt h ei n t e r m e d i a r ys t a t e sh a v en o i m a g i n a r yf i - e q u e n c i e sa n d a l it h et r a m 5 f i o ns t a t e sh a v es o l em a g i n a r y f i 蟹q u e n c i e s n l ec h a n g e s i nt h ea t o m i cc h a r g e sa r ei n v e s t i g a t e d c a r e f i a l l y a n dt h e i re f f e c t so i lt h ea l k y n y l a t i o na l e d i s c u s s e d t h er k a t t l r a lb o n do r b i t a l ( n b o ) a n a l y s i sf o rt h ec a t a l y s t - a l k y n y l b o r a n e - - a l d e h y d e a d d u e t , t h ec a t a l y s t - a l k o x y b o r a n ea d d u c ta n dt h el r a n s i t i o ns t a t e si sp e r f o r m e d i ti ss h o w n t h a t a m o n g t h ef o u fs t r u c t t t r e so f t h e c a t a l y s t a l k y n y l b o r a n e - a l d e h y d ea d d u c t 5 t h e cc a r b o n y lb o n d i 1 15 ai st h ew e a k c s ta n di sm u c hm o r e e a s i l y b r o k e nd o w n i nt h eb - o - b - n4 - m e m b e r e d r i n go f t h ea d d u c t6 ，t h eb ( 2 ) - o c , oa n db 2 - n ( 3 ) b o n d sa r ew e a k e rt h a nt h en ( 3 ) - b ( 2 ) a n do c - - o - b 2 b o n d s a m o n gt h ef o u rs t r u c r l r e so f t h ei r a n s i t i o i ls t a t et s 3 ，山eb 2 一c l 。b o n df o rt s 3 ai st h e w e a k e s ta n dt h ec c - o - c 1 b o n di st h es t r o n g e s t t h e r e f o r e ，t h ei r a n s f e ro f a l k y n y li nt s 3 ai st h e e a s i e s t d u r i n gt h ed e c o m p o s i t i o no f t h ec a t a l y s t - a l k o x y b o r a n ea d d u c t6 ，t h eb - na n db - o b o n d si nt h eb o b - n4 - m e m b e r e dr i n gm a yb eb m k e nd 0 ns i m u l t a n e o u s l y 2 嗯唑硼烷催化剂及其不对称还原 反应的机理研究 融_ 一 学科专业：物理化学 指导教师：李明教授 摘要 研究方向：量子化学 研究生：何荣幸 手性物质具有广泛的用途。在获得手性化合物的众多途径中，不对称催化反应被认 为是最重要、最理想的途径。为了获得手性物质，人们使用了各种催化剂，其中手性嗯 唑硼烷( c h i r a lo x a z a b o r o l i d i n e s ) 催化剂由于具有适用范围广、反应产率高、对映选 择性好、简便实用等特点，最近十余年来受到人们的高度重视。本研究工作用半经验方 法和从头算方法，分别对吡咯烷并手性嗯唑硼烷催化硼烷还原芳香酮和手性嗯唑硼烷催 化炔硼烷还原醛的不对称反应进行了量子化学计算，详细讨论了这些反应的机理。 r 、i1 手性嚼唑硼烷催化对里氢基茎丕墅的不对称还原反应的半经验计算 采用量子化学半经验a m l 法研究了毗咯烷并手性嘿唑硼烷催化对甲氧基苯乙酮不 对称还原反应的机理。对催化剂、中间体和过渡态的结构进行了全优化，研究了中间体 和过渡态及其对不对称还原的影响，并对所有结构进行了振动分析。结果表明，催化剂 和中间体均无虚频，过渡态都有唯一虚频。研究了各过渡态活化能间的关系，解释了该 不对称还原反应的机理。对产物手性的理论预测与实验吻合。该不对称催化还原反应的 控制步骤是催化齐| 卜烷氧基硼烷加合物的b 廿b _ n 四元环的离解。 2 手性曝唑硼烷催化乙醛的不对称炔基化反应的d f t 计算 首次进行了( 4 s ) - 嗯唑硼烷催化炔硼烷对醛不对称炔基化还原机理的密度泛函( d f d 研究。在船l y p 6 3 1 g ( d ) 水平下，对催化剂、反应中间体和过渡态的结构进行了全优化， 并对所有结构进行了振动分析。结果表明，催化剂和中间体均无虚频，过渡态都有唯一 虚频。详细分析了中间体和过渡态中原子电荷的变化，讨论了这些变化对还原的影响。 对啄唑硼烷一炔硼烷一醛加合物5 ，嗯唑硼烷烷氧基炔硼烷加合物6 和炔基转移过渡态t s 3 3 进行了自然键轨道( n b o ) 分析。结果表明，加合物5 a 的羰基键最弱。在加合物6 的 b - o _ b _ n 四元环中，b ( 2 ) 一q 。和b ，- n ( 3 ) 键弱于n ( 3 ) - b ( 2 ) 和瞻0 b ：键，故当加合物6 离瞬 时，b ( 2 ) 一和盼n ( 3 ) 键易断裂。在过渡态t s 3 的四个结构中，t s 3 a 的b ，c r 键最弱， 而。c l 键最强，因此t s 3 a 中炔基最易实现向羰基碳的转移。较详细地解释了( 4 s ) 一 嗯唑硼烷催化炔硼烷对醛不对称炔基化还原反应的机理，得出产物的手性与实验一致的 结论。该不对称还原反应的控制步骤是炔基的转移。此外，加合物6 的b 一呻一n 四元环 中1 3 2 一n ( 3 ) 和b ( 2 ) - 0 h 键的断裂可能是协同进行的。、 4 日 吾 1 手性嗯唑硼烷类催化剂在不对称合成中的应用 手性( c h i r a l i t y ) 是自然界的本质属性之一，许多具有生理活性或重要功能的化合 物都是手性化合物。在生物体内，手生化合物通过手性识别作用于生物体，传递着一些 微妙的生理信息，其立体信息不同所显示的生理活性也不同。在药物化学中，大部分药 物也具有手性，它们通过与生物体内大分子之间严格的手性匹配与手性识别而实现其药 理作用。因此，手性与生命科学、药物化学、生物工程和材料科学都有着相当密切的联 系。加强对手性物质和不对称催化反应的研究，不仅在经济上具有重要的现实意义，而 且是当今科学研究领域的热点课题之一。2 0 0 1 年度的诺贝尔化学奖就分别授予了美国科 学家威廉诺尔斯、日本科学家野依良治，以及美国科学家巴里夏普莱斯以表彰他 们在“手性催化氢化反应”领域和在“手性催化氧化反应”领域做出的杰出贡献。 在有机不对称合成中，反应的高选向性和产物的高光学纯度历来是化学家们所企望 做到的事情，也是药物和天然产物合成中有待解决的关键问题之一。为了获得手性化合 物，人们在不对称合成反应中利用各种各样的催化剂，以期获得所希望的手性化合物。 在一系列的催化剂中。手性嘿唑硼烷( c h i r a lo x a z a b o r o l i d i n e s ) 类催化剂由于具有适 用范围广、反应产率高、对映选择性好、简便实用等特点，最近十余年来在许多不对称 催化反应中取得了显著进展“1 。自1 9 8 1 年起，i t s u n o 小组用手性b 一氨基醇与硼烷的配 合物还原前手眭酮，取得了较好的光学收率。c o r e y 进一步研究了该反应，钡4 得了晶 体结构，证明了起催化作用的是手性1 3 ，2 一嗯唑硼烷l ( 图1 ) 。1 9 8 7 年，c o r e y 以 s 一脯胺酸为原料，成功合成出了著名的c b s ( 取自三位研究者的姓： c o r e y b a k s h i - s h i b a t a ) 催化剂l 嘲。之后，各种新型手性嗯唑硼烷催化剂相继被合成出 来。根据结构特点，可分为环状嗯唑硼烷、含侧链的嗯唑硼烷、含杂原子的噫唑硼烷以 及聚合物固载的嚼唑嘲烷( 图1 ) 。这些手性嗯唑硼烷催化剂在不对称合成中应用非常广 泛，影响相当深远，其主要应用有：1 对醛和酮中c - - o 键的不对称催化还原m 1 ；2 对c = n 键的不对称还原，包括对亚赎的不对称催化还原和肟醚的不对称还原“：3 。不对称c - c 成键反应“，这包括不对称催化d i e l s - a l d e r 反应，不对称催化1 ，3 一偶极环加成反应 和不对称催化a l d o l 反应及其它不对称c _ c 成键反应。这些手性嗯唑硼烷催化剂在反应 中表现出了化学酶( c h e f f l z 珊e ) 的特性选择性和催化效率都特别高；而且产物构型可 以预测，即还原产物的构型由曝唑硼烷催化剂的构型决定，一般地，c 4 位为s 构型的催 化剂对前手性酮不对称还原反应生成r 构型的产物，反之亦然陋“。c b s 催化剂催化硼烷 对前手性酮的不对称还原反应如图2 所示。 。人。；r h 。； 圈2c b $ 催化珊皖还原前手性酮的不对称还原反应 2 目前有关手性嚼唑硼烷催化前手性酮不对称还原反应的量子化学研究 1 9 8 7 年，c o r e y 等人根据实验提出了手性嚼唑硼烷催化硼烷还原前手性酮的不对称 还原反应机理叫，该机理经不断完善。- “”，已被人们接受。根据其机理，手性噫唑硼烷 催化硼烷还原前手性酮的不对称还原反应主要包括以下几个过程：( 1 ) 手性嗯唑硼烷与 硼烷配位生成噫唑硼烷一硼烷加合物：( 2 ) 前手性酮的羰基氧与嗯唑硼烷一硼烷加合物在 嚼唑硼烷的b ( 2 ) 配位生成嚼唑硼烷硼烷一酮加合物：( 3 ) 硼烷的负氢离子向酮羰基碳转 移，生成含b - o - b n 四员环的噫唑硼烷一烷氧基硼烷加合物；( 4 ) 嗯唑硼烷一烷氧基硼烷 加合物离解成具有手性的烷氧基硼烷并再生性曝唑硼烷催化剂：( 5 ) 烷氧基硼烷进一步 生成还原产物手性醇。目前普遍认为，嚼唑硼烷一硼烷一酮加合物的生成及后继反应中 负氢离子从硼烷向酮羰基碳的转移过程是不对称催化还原反应的关键步骤。 当前，已有一些关于手性嚼唑硼烷催化硼烷还原前手性酮的不对称还原反应的量子 化学研究，其研究方法主要采用h a r t r e e - f o c k 方法、m p 2 方法和密度泛函理论( d f t ) 等 量子化学从头算方法啪”，也有极少的研究工作采用半经验方法。这些研究工作主要阐 述了c b s 催化荆，c b s 一硼烷加合物，c b s 一硼烷一酮加合物，c b s 一烷氧基硼烷加合物的结构 和性质及c b s 烷氧基硼烷加合物的离解，一定程度上阐明了c b s 催化剂催化硼烷还原前 手性酮的不对称还原反应。然而，大多数已有研究工作由于受计算条件的限制，都采用 了较为简单的理论模型，或者用较小的基函数组。例如。n e v a l a i n e n 等在研究手性1 ，3 ， 2 一嗯唑硼烷催化硼烷还原前手性酮的不对称还原反应时“1 ，多采用无手性的嗯唑硼烷 c ：h 剐0 ( 或更小的小分子体系) 代替1 ，3 ，2 嚼唑硼烷催化剂，并用甲酮h o 代替前手性 酮r 。r g x ) ，这必然与实际反应有一定差距。而且，大多数已有工作着重研究了手性嗯唑硼 烷不对称还原前手性酮过程中的中间体的结构和性质，而对还原反应的过渡态和活化能 研究不多，因此不能完全解释还原产物的手性特征，无法明确还原反应的路径并确定反 应中的控制步骤以及其他一些与催化还原机理密切相关的化学信息。另外，迄今为止， 对前手性酮的不对称炔基化还原还没有量子化学从头算研究结果的文献报道。可见，进 行手性咏唑硼烷对前手性醛、酮不对称还原反应的量子化学研究，还有许多问题值得进 一步深入探索。 3 研究内容的确定 手性嗯唑硼烷在不对称催化反应中应用非常广泛，研究它们的性质和结构及其在不 对称催化反应中的作用机理对于探索新型手性曝唑硼烷催化剂，发展新的不对称催化 反应具有重要的指导意义。目前对于手性嗯唑硼烷在不对称催化反应中的作用机理已经 有了一些理论研究，尤其是对羰基( c = o ) 的不对称催化还原，从实验结果和理论计算上 都对反应机理做了较好的解释。但是正如上面所言，目前还没有关于羰基( c = o ) 亲核性 炔基化还原的理论研究报道。因此c o r e y 提出的关于手性嗯唑硼烷催化硼烷还原前手性 酮的不对称还原反应机理还需要不断发展和完善。为此目的，本论文试图通过对下面两 个体系的量子化学理论计算，来探明手性嗯唑硼烷( c b s ) 催化硼烷还原前手性酮的不对 称氢化还原以及催化炔硼烷还原前手性醛的不对称炔基化还原反应的机理，以使c o r e y 等提出的机理得到进一步完善： ( 1 ) 吡咯烷并手性嗯唑硼烷催化芳香酮不对称还原反应的量子化学a m l 法计算； ( 2 ) 手性嗯唑硼烷催化芳香醛的不对称炔氢化反应的量子化学d f t 理论计算。 对第一个体系，不经任何模型化，采用实际的反应体系用量子化学半经验a m l 法计 算；而第二个体系经过适当的模型化后，用量子化学从头算中的密度泛函理论( d f ) ， 在b 3 l y p 6 3 1 9 7 托平上计算。 第一节毗咯烷并手性嗯唑硼烷催化芳香酮不对称 还原反应的量子化学a m l 法计算 1 9 8 7 年，c o t e y 等以s 一脯胺酸为原料，成功合成出了著名的c b s ( 取自三位研究者 的姓：c o r e y - b a k s h i s h i b a t a ) 催化齐卜一种新型手性嚼唑硼烷。之后，它们被广泛地 应用于对前手性酮的不对称催化还原反应中m ”。这些反应具有反应产率高、对映选择眭 好、反应速度快、简便实用等特点，而且产物构型可以预测，即还原产物的构型由c g s 催化剂的构型决定，一般地，c 4 位为s 构型的催化剂对前手性酮不对称还原反应生成r 构型的产物，反之亦然。“。这一结果对合成化学和理论化学都有着重要意义。 9 e n 二 t9 ” 噬。兰 ”：一。 。，、。一 h 、”眦 h ，9 多”h 。+ n ：心一 ；= ；= = = = = = = 善飞，。 承” 。“ h z t “ p m o p f ”卜h 1【 图3毗嘣制手性黜觥卺i l 苣化芳翻目不蹦家还原反应 h 2 e o e o p ”。卜” 一芩、。k伊 1等1l每。q市 t ， 一 一 萍。 c o r e y 等人根据实验提出了手性嗯唑硼烷催化硼烷还原前手性酮的不对称还原反应 机理”( 如图3 ) ，该机理经不断完善“。“己被人们接受。根据其机理。手性嚼唑硼 烷催化硼烷还原前手性酮的不对称还原反应主要包括以下几个过程：( 1 ) 手性嗯唑硼烷l 与硼烷配位生成嚼唑硼烷一硼烷加合物2 ；( 2 ) 前手性酮的羰基氧与嗯唑硼烷_ 硼烷加合物 在噫唑硼烷的b ( 2 ) 配位生成嗯唑硼烷堋烷一酮加合物3 ：( 3 ) 硼烷的负氢离子向酮羰基 碳转移生成含b 廿b _ n 四员环的嚼唑硼烷一烷氧基硼烷加合物4 ：( 4 ) 嗯唑硼烷一烷氧基 硼烷加合物4 离解成具有手性的烷氧基硼烷并再生性嗯唑硼烷催化剂：( 5 ) 烷氧基硼烷 进一步生成还原产物手性醇。目前普遍认为，噫唑硼：簪 硼烷一酮加合物的生成及后继 反应中负氢离子从硼烷向酮羰基碳的转移过程是不对称催化还原反应的关键步骤。尽管 表1 些主要键的键长( 岫) 艮。一 kb 。n 3 b 2 - o mg 旷o h o a , - b , m 矾0 i i r - i d e o p h , w e c = c , 2 3 a 3 b 4 a 4 b 5 b t s l t s 2 t s 厶 t s 3 t s 3 - 融 傀 t s 5 0 1 4 0 l 0 _ 1 1 8 6 0 _ 1 1 8 6 01 1 6 5 o 1 1 8 5 0 1 1 8 4 0 1 2 7 1 o 1 2 8 3 0 1 5 8 6 0 1 6 2 5 0 1 6 2 3 0 1 6 0 9 0 1 6 0 6 0 1 哺4 0 _ 1 6 9 2 n2 2 7 9 n 1 6 3 0 0 1 6 2 9 01 6 0 0 0 1 5 9 3 0 1 6 6 3 0 1 6 5 8 0 2 0 9 3 0 1 7 1 5 0 1 7 4 5 0 1 6 6 9 0 1 6 7 8 0 3 8 5 5 0 _ 弘2 9 n2 c 1 0 0 02 1 0 0 0 1 5 9 7 0 1 6 1 8 0 2 2 0 6 0 2 2 4 3 0 3 9 0 9 n 1 2 3 9 01 2 7 0 0 1 2 7 0 0 1 4 4 4 0 1 4 4 2 0 1 4 1 8 0 1 4 2 0 0 1 2 5 0 0 1 2 4 9 0 1 3 2 2 0 1 3 2 3 n 1 4 2 2 0 1 4 2 0 0 1 4 3 l 0 2 6 9 b 0 2 7 3 l n2 7 5 5 0 2 8 6 0 0 1 5 9 6 0 1 5 6 4 o3 0 5 7 0 3 0 8 1 01 6 5 7 o 1 6 6 7 0 1 5 1 8 0 1 5 1 1 0 3 2 0 8 0 _ 3 2 4 7 0 2 9 2 7 o 2 9 7 1 0 1 5 5 6 o 1 5 6 4 0 1 4 4 8 幅墨 0 _ 2 0 8 80 3 6 3 0 0 1 4 3 1 0 1 4 4 9 注：f 标a 表厅建成r 一型产物的路径，下标b 表示生成s _ 型产枷骑踏径 n e v a l a i n e n 等己借助量子化学从头算研究了手性l ，3 ，2 嗯唑硼烷催化硼烷还原前手性 酮的不对称还原反应c “1 ，一定程度上阐明了c b s 催化剂催化硼烷还原前手性酮的不对称 还原反应，较好地支持了c o r e y 等提出的反应机理但他们所用分子体系较小，与实际 g 反应有一定差距- 而且对还原反应的过渡态没有研究，因此它不能解释还原产物的手性 特征，无法明确还原反应的路径并确定反应中的控制步骤以及其他一些与催化还原机理 密切相关的化学信息。为此，本节将以实际的反应体系为例，用量子化学半经验a m l 方 法( 体系太大，故采用半径验方法) ，对c b $ 催化对甲氧基苯乙酮的不对称还原反应做理 论计算，深入讨论手性嚯唑硼烷催化硼烷还原前手性酮的不对称还原反应各中间体和过 渡态的结构，性质及催化还原机理。如图3 所示，t s i ，t s 2 ，t s 3 ，t s 4 和t s 5 分别表示生 成c b s 一硼烷加合物，c b s 一硼烷一酮加合物，h - 转移，c b s 烷氧基硼烷的离解以及生成烷氧 基硼烷并再生c b s 催化剂的各过渡态。对于催化剂一硼烷一酮加合物3 ，存在两种稳定结构： 3 a 和3 b ：相应地，催化剂烷氧基硼烷加合物4 也存在两种稳定结构：4 a 和4 b 。加台物 4 中b 2 一键断裂，生成5 a 和5 b ；加合物5 a 和5 b 中的n 3 一陆键断裂，生成6 a 和6 b ： 6 a 和6 b 水解得手性仲醇。所有优化结构的重要键长列于表1 中。对全部中间体和过渡态 进行了振动分析。所有优化后的中间体和过渡态的总能量e 、生成能e 、最小的两个振 动频率u 和各过渡态的活化能酽总结在表2 中。 表2总能量e ，生成能de 活他能矿和撬动频率” e ( a u )e ( k j m 0 1 )a f o c j m 0 1 ) ul ( c 町。)u2 ( c a l ) 砒- 40 1 9 7 棚恤c = 0一m9 3 9 i 甑龉8 7 l一1 1 1 0 4 2 6 2 3 5 25 3 2 4 21 1 5 1 1 1 51 2 9 1 79 3 83 8 3 9 3 b1 8 5 0 4 埒2 5 2 01 3 2 41 7 5 8 3 b一1 8 6 0 4 4 01 7 3 31 5 5 92 0 5 2 4 a一1 8 6 g o一1 5 2 2 88 6 91 2 7 6 4 b一1 8 61 0 3 4一1 5 59 51 47 02 n0 9 5 a一1 8 6 0 8 5 13 6 4 96 4 71 3 曲 5 b一1 8 6 0 8 5 94 5 9 5 1 26 21 5 5 0 6 a1 5 0 3 7 3一1 3 6 52 6 惦4 7 2 7 6 b一两0 3 7 3一l 量巧 2 6 7 64 7 6 9 t s l一i 1 5 0 5 1 42 3 6 3 0 201 8 2 t s 2 al b 6 0 3 6 6 诋7 68 6 3 9“4 8 1 s 2 b一1 8 6 0 3 弱 3 93 8- i 1 0 2 31 0 3 0 1 s 3 b一1 8 6 0 3 8 76 0 4- 4 9 47 41 6 1 2 t s 3 b一1 8 矗0 4 0 0l o 卯一5 2 7 8 5 1 2 3 6 t s 4 a一1 8 60 8 4 l3 9 1 2 一1 5 4 6 59 7 8 1 _ s 曲一1 8 6 0 8 2 2 5 墨6 6一1 6 7 5 07 5 9 t s 5 a1 8 6 0 7 4 6 2 7 5 73 5 5 0 4i i ，7 5 t s 5 b一1 8 6 0 7 蛔 咀1 43 5 4 7 l6 2 0 1 1 中间体的结构和性质 1 1 ，l 嚼唑硼烷毽纯裁的结构 催化剂1 经完全优化后，其总能量为一i i i 0 4 2 6 a u ，振动分析表明，它的最小振动 l0 频率为2 3 5 2 c m - ，无虚振动表明其结构可能是稳定的。其优化结构示于图4 。计算表明， 嚼唑硼烷催化剂具有扭曲的椅式结构，其b 2 _ n 3 c 4 - c 6 和c 8 一n 3 嘲- c 5 二面角分别为 1 2 4 9 1 。和1 4 5 7 3 。；b 2 0 i c 5 和o 卜b 2 一n 3 的键角 分别是1 0 9 0 8 。和1 1 0 6 l 。；o l - b 2 ，0 1 一c 5 ，b 2 一n 3 和n 3 - c 4 的键长分别是0 1 3 8 8n r l ，0 1 4 5 71 3 m ，0 1 4 4 0 n 【l 和0 1 4 7 4 1 2 m 。对于0 1 - b 2 键( 键长0 1 3 8 8 n m ) ，它 比正常的o - 8 键长( 约0 1 4 7 r i m ) 要短，这可能是因为 o i - b 2 间存在部分h 键。此外，h ，0 1 ，b 2 和n 3 四个 原子几乎位于同平面，其h b _ 。1 一b 2 - n 3 二面角为 1 7 5 0 4 。，所以o 卜b 2 间的部分n 键是由b 2 的空p 轨 道与o l 的孤电子对重叠形成的。 l ，1 2 嚼唑礴婉一硼烷掘合物桷结构帮性覆 b h ，在嚼唑硼烷催化剂l 的n 3 位配位，生成催化剂娟8 烷加合物2 ，其优化结构示于图5 。加合物2 的总能量为 一1 1 5 1 1 1 5 & u ，生成能为一1 2 9 1 7 k j i 帕l ，可见反应是放热 的。振动分析表明无虚频，因此结构是稳定的。在加合物 2 中，b 。一n 3 键长0 1 5 8 6 m ，角n 3 屯4 和二面角 b 哪- n 3 c 4 一b 2 分别为1 1 7 5 。和8 3 7 9 。由于加合物2 的生成导致嗯唑硼烷催化剂l 的结构发生了比较大的变 化。在加合物2 中，b 2 州3 - c 4 吒6 和c 8 一n 3 _ c 4 弋5 二面角 分别为- 1 3 0 7 8 。和1 3 0 4 1 。：角b 2 l c 5 和o 卜b 2 一n 3 圉5 嚼矬硼烷珊烷加台物 自呲化鲒构 分别是i i 0 1 9 。和1 0 7 4 9 。；0 1 _ b 2 和b 2 - n 3 键长变化非常大，分别是0 1 5 1 3 兀【i ，0 1 5 7 6 r i m 。心0 1 ，b 2 和n 3 四个原子不再位于同平面，其 卜o 卜b 2 一n 3 二面角为1 3 6 6 0 。 从图5 可以看出，b 2 、n 3 、陆和h 们已生成了一个四元环，b 2 一和键长分别为 0 1 4 1 0 h m 和0 1 4 0 1 r 帅。b 2 与成键显然是因为带负电的h 。与b 2 的空p 轨道配位，于 是b 2 的部分空p 轨道被占据，从而导致o i - b 2 变长；另一方面，由于b 2 与四个原子成 键，这就使心，0 1 ，b 2 和n 3 四个原子不再位于同一平面。 i ! 3 嚼唑张烷一璐烷一对甲氧基苯乙酾拥合物的结构和性瑗 对甲氧基苯乙酮的羰基氧要与c b s 硼烷加合物2 的b 2 原子配位这可能是因为 i1 的电负性比h 大的缘故，从而导致b 2 一 k 键断裂。生成催化剂硼烷一酮加合物3 ， 加合物3 有两种构型3 a 和3 b ( 见图6 ) ， 全优化后得到它们的优化构型( 示于图 7 ) ，它们的总能量分别为- 1 8 6 0 4 1 0a u 和一1 8 6 0 4 4 0a _ u ，生成能分别是 2 5 2 0 k j m o l 和1 7 3 3 k j m o l ，可见反应 是吸热的。其最小的振动频率分别为 h 3 b 图6 嚼唑硼烷一硼烷一对甲氧基苯z j 酮加合物的可能结构 1 3 2 4 c m - 。和1 5 5 9 c m 。，无虚频，表明其结构可能是稳定的。在加合物3 中，b 2 与羰基氧 之间的距离分别是，3 a ：0 1 7 1 5 r i m 和3 b ：0 1 7 4 6 n m ，键角巴r 时b 2 、吣) _ b 2 一n 3 、二 面角瞻0 - b 2 一n 3 - 0 1 、b 2 - n 3 一c 4 - - c ) 6 和c 8 州3 _ c 4 - c 5 分别为，3 a ：1 2 6 1 5 。、i i 0 7 8 。、 9 7 4 9 。、1 3 6 0 1 。、- 1 0 5 3 5 。和3 b ：1 3 2 8 1 。、1 1 6 1 2 。、1 2 2 2 7 。、1 3 5 6 4 。、 3 a3 b 图7 嚼唑硼烷一硼烷_ 对甲氧基苯己酮加台物的护c 化结构 一1 0 6 9 6 。时h 。和o o 一0 。键长分别 为，3 a ：0 1 1 8 6 0 1 2 7 0 h m 和3 b ： 0 1 1 8 6 ，0 1 2 7 0 肿。与自由硼烷( 其 b 叶旷h 。键长0 1 1 5 9 r i m ) 和自由芳香酮 相比( 其o 长0 1 2 3 9 r ) ，b 帅一 和o k 均伸长( 表1 ) 。显然，催化 剂一硼烷一酮加合物3 的生成削弱了对 甲氧基苯乙酮的羰基键c = o 和硼烷的 b 。键的强度。这些变化都有利于b h 。 的氢负离子进攻羰基碳原予，实现氢负 离子向羰基碳的转移。对于3 a ，硼烷 上的转移到酮羰基碳c 田上后，将生成r 一型手性醇；而对于3 b ，转移后将得到 型手性醇。但从目前的分析来看，还无法得出哪一种手性醇占优。 i 1 4 嚼唑礴浣砖诤t 基硼惋搬合物的结构 当催化齐卜硼烷一酮加合物经负氢离子转移后，羰基被还原，k 与配位，从而生成 催化齐n 皖氧基硼烷加合物4 。加合物4 也有如图8 所示的两种稳定结构4 a 和4 b ，其优 化结构如图9 。它们的总能量( 表2 ) 分别为4 a ：一1 8 6 0 9 9 0 a u 和4 b ：一1 8 6 1 0 3 4a u ， 生成能分别为一1 5 2 2 8 k j t o o l 和一1 5 5 9 5 k j m o l ，反应是放热的，其最小的振动频率分别 i2 为8 6 9 c m - l 和1 4 7 0 c m - ，没有虚频，表明其 结构可能是稳定的。 如图8 ，加合物4 a 和4 b 都含有一个稳定 的旷o _ b n 四元环，且四元环中的四个原子 几乎位于同一平面上。在b 一0 _ b _ n 四元环中， n 3 - b 2 ，b 2 ，_ n 3 ，0 fb 。键长分别为， 4 a ：0 1 6 0 3 0 1 6 6 9 ，0 1 6 0 9 ，0 1 6 5 7 n m 和 图8 曲：0 1 5 9 8 ，0 1 6 7 8 ，0 1 6 0 6 ，0 1 6 6 7 n m 。 4 柏 嚼唑硼烷一垸氧基硼烷加合物的可能结构 角b 瑾。_ n 3 一b 2 、n 3 吨2 - q 。和b 2 一跽，b 。分别为： 4 a ，9 0 6 7 。、9 l1 5 。、8 6 7 2 。；4 b ， 9 0 2 9 。、9 0 6 46 、8 5 5 5 。该四元环与嚼唑硼烷环构成的二面角o 旷b 2 一n 3 - c 4 和 b 跚- n 3 也- 0 1 分别是：4 a ，1 1 6 叭。、1 1 7 ，2 9 。：4 b ，1 0 3 9 6 。、1 1 6 8 2 。比 如口合 物4 a 和4 b 的能量，显然4 b 的能量更低一些，即4 b 更稳定；而且在p 0 i b _ n 四元环中， 4 a 4 b 图9 嚼唑硼烷 镏鸦醐嗽合物的优化结构 4 b 的b 2 一键更长，即在后继反应 中，4 b 的b - 旷b n 四元环更易离解。 以上分析似乎表明，由自合物4 b 决定的构型的将是产物的优势构 型，这将导致s 一手性醇的产生，由 此得到的结论与实验结果刚好相 反。然而随着讨论的深入( 对过渡 态结构和性质的讨论) 我们将得 到完全不同的结论。 l ，1 5 嚼嗤碱烷一烷氧基礴烷拥台物的离解 由上面的讨论可知，噫唑硼烷一烷氧基硼烷加合物4 的每一个结构都含有一个 b o - b - n 四元环。计算表明，b - 沪b 州四元环的离解分两步进行，首先是四元环的b 2 断裂，生成加合物5 。随着反应的继续，加合物5 的- n 3 键再断裂，生成加合物6 并 再生唔唑硼烷催化剂1 。下面我们分另讨论加台物5 和加合物6 的结构与性质 1 1 5 。i 加合魉5 的结构静蛀矮 嚼唑硼烷一烷氧基硼烷加合物4 的b 一沪b _ n 四元环中b 2 键首先断裂，生成加合物 i3 5 。加合物5 有两种构型，5 a 和5 b ( 如 图1 0 ) ，其优化结构示于图1 l 。如表2 所示，其总能量分别为5 a ：一1 8 6 0 8 5 1 a u ；5 b ：一1 8 6 0 8 5 9a u ；生成能 分别为，5 a ：3 6 4 9 k j m 0 1 和5 b ： 4 5 9 5 k j m o l ，可见反应是吸热的。对 5 a 和5 b 的优化结构进行振动分析，结 果表明它们都没有虚频，其最小振动 火：。 5 a 图1 0 l l 唑硼烷烷氧基硼烷j j i i 亡r g 4 # j5 的可能结构 频率分别为：6 4 7 c m - 1 和1 2 6 2 c m 。在加合物5 中，b 2 键已经完全断裂，n 3 6 2 ，b