（物理化学专业论文）几种过渡金属催化不对称反应机理的密度泛函研究.pdf

几种过渡金属催化不对称反应机理的密度 泛函研究 学科专业 物理化学 指导教师 李明教授 摘要 研究方向 应用量子化学 研究生 孟 庆喜 本工作用量子化学密度泛函方法 d f t 分别对手性嗯唑啉铜 i 催化不对 称环丙烷化反应 手性铑 i 不对称催化羰基化环加成反应 手性锌 i i 催化乙 醛不对称炔丙基化反应和二氯化铂 i i 催化羟基烯炔不对称成环异构化反应等 几种过渡金属催化的不对称反应的机理进行了研究 详细的讨论了这些反应的机 理 1 手性嗯唑啉铜催化不对称环丙烷化反应的密度泛函研究 用密度泛函方法 d f t 研究了手性嗯唑啉铜 i 催化烯烃与重氮乙酸酯不对 称环丙烷化反应的机理 在b 3 l y p 6 3 1 g 水平上优化了反应中间体和过渡态的结 构 同时 考虑溶剂效应并在b 3 l y p 6 3 1 g 水平上 对室温下l 2 氯乙 烷为溶剂的反应体系进行了单点能计算 结果表明 该反应是放热的 主要经历 了催化剂一重氮乙酸酯加合物 过渡金属卡宾中间体 过渡金属卡宾一烯烃加合物 和催化剂一手性环丙烷羧酸酯加合物的生成等过程 催化剂一手性环丙烷羧酸酯加 合物的生成是反应产物的手性决定步骤 理论预测的主要产物是与实验吻合的 r r 一手性环丙烷羧酸酯 2 手性铑不对称催化羰基化环加成反应机理的密度泛函研究 用密度泛函方法 d f t 研究了手性铑 i 催化剂催化不对称 4 1 羰基化 环加成反应的机理 在b 3 l y p l a n l 2 d z 计算水平上优化了所有结构 计算结果表 明 反应是放热的 金属铑与共轭二烯的络合物4 r 和4 s 是n4 型络合物 而5 r 合5 s 是o2 n 型络合物 羰基插入反应是整个反应的手性控制步骤 理论预测 的主要产物是与实验吻合的 s 一3 一环戊烯酮 3 手性锌催化乙醛不对称炔丙基化反应的密度泛函研究 用密度泛函方法 d f t 研究了手性锌催化乙醛与丙炔不对称炔丙基化反应 的机理 在b 3 l y p 6 3 1 g d p 计算水平上优化了所有结构 结果表明 反应是 吸热的 过渡态具有六元环结构 催化剂一手性醇加合物的生成是反应的手性决 定步骤 理论预测的主要产物是与实验吻合的 r 一炔丙基醇 4 二氯化铂催化羟基烯炔不对称成环异构化反应的密度泛函研究 对二氯化铂催化羟基烯炔不对称成环异构化反应的机理进行了密度泛函方 法 d f t 研究 所有结构均在b 3 l y p 6 3 1 l g d p 水平下优化 计算结果表明 反应是放热的 反应主要经历了催化剂 羟基烯炔加合物 手性环丙基过渡金属 卡宾中间体 催化剂一手性环丙烷烯醇加合物和催化剂一手性环丙烷酮加合物等的 生成过程 过渡金属卡宾的生成是羟基烯炔不对称成环异构化反应的手性决定步 骤 催化剂一手性环丙烷酮加台物的生成是此反应的速率控制步骤 理论预测的 产物是与实验吻合的 r s 一s y n 一5 a 前言 1 过渡金属催化剂在不对称合成中的应用 手性是指物质的一种不对称性 它是自然界的特征之一 也是一切生命的基 础 生命现象依赖于手性的存在和手性的识别 2 1 世纪无疑将是手征性的世纪 在生物体内 手性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 它们通过于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 手性药物的构型不同 它们的生理活性和毒性也不相同 例如 l 一多巴是 治疗帕金森病的良药 但它的对映体确有严重的毒性作用 丙氧芬 p r o p o x y p h e r i e 的左旋体与右旋体有相似的镇咳活性 但仅仅是右旋体有镇痛作用 h o l 治疗帕金森病 l 多巴 d 有毒性作用 l 一多巴与丙氧芬的结构 c h 2 n m e 2 d 镇痛药 丙氧芬 l 镇咳药 不对称合成是在手性物质的影响下以前手性化合物为原料建立一个或几个 手性中心的过程 手性物质可以是手性助剂 a u x i l i a r i e s 试剂 r e a g e n t s 或催化剂 因此 可以把不对称合成分为三种 使用手性助剂 手性试剂和手性 催化剂 其中使用手性催化剂的不对称合成是最理想的不对称合成方法 它是不 对称合成的方向 也是目前最活跃的研究领域之一 2 0 0 1 年度的诺贝尔化学奖 就分别授予了美国的威廉 s 诺尔斯 w i l l i a m s k n o w l e s 日本的野依良 治 r y o j in o y o r i 和美国的巴里 夏普雷斯 k b a r r y s h a r p l e s s 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 领域作出的杰出贡 献 在有机不对称合成中 反应的高选择性和产物的高光学纯度历来是化学家们 所期望做到的事情 也是药物和天然产物合成中有待解决的问题之一 为了获得 手性化合物 人们在不对称合成中利用各种催化剂 过渡金属配合物以其特有催 化性能而独占鳌头 过渡金属配合物催化剂几乎能催化所有的反应并取得较高的 光学收率 甚至有的能获得唯一的手性单体 过渡金属催化剂能催化大多数反应 在不对称催化领域中 不对称催化氧化 和催化氢化是最成功的两个例子 在众多催化剂配体中 以含p n 元素者居多 下面介绍一下已经用于工业生产的部分重要不对称催化反应 1 1 不对称氢氰化 蔡普生 n a p m x e n d up o n t s u g a rj i g a n d h c n n i s u g a rl i g a n d 1 2 不对称氢化 i 2 1l 一多b l d o p a m o n s a n t o 公司严 一 g 一一 允 r h d i p a m p h 参y 三 7 c o o n l d o p a d j p 卜静小 广 j 善 蝴 以 1 2 2l 一多e l d o p a v e bi s i s c h e m i e 2 a 半国一 s u g a r p h 譬e 3 蒯 b p 气 p p 0 1 o 部 1 2 3 卜苯丙跛酸 l p b e n y l a l a n i n e a n i cs p a e n i c h e m ooh h c o c h 3 耻n 蹦m 邺 厂 筘 7 一 p 7 1 p 弋h 2 p h l 2 4 抗生素c a r b a p e n e m t 棘a s a g o 严1 r b i n a p r u r b 甜a p j 2 5 蔡音生 n a p m x e n m o n s a n t o 1 00h h c o c h 3 k 一一 c o o c h 3 8 b l j2 6 伍一氨基酸 馑一a l l l i a c i d s d up o n t 船 c o 批 c o 舭 厂 i n 2 c h c 0 2 日 塑堕 虬 9 2 e e 2 研究内容的确定 手性化合物的分子识别和不对称催化是当今化学研究领域的两个前沿课题 不对称催化在不对称合成和理论化学中具有重要意义 研究不对称催化反应机 理 对于探索新型手性催化剂 发展新的不对称催化反应具有重要的指导意义 目前不对称催化的理论研究方面 由于不对称催化反应的体系都比较大 大多数 研究都采用分子力学 如 m m 3 等 或半经验方法 如 刖d 0 m 1 p m 3 等 很 少运用从头算 a bi n i t i o 如 h f m p n g n 等 和密度泛函方法 d f t 如 m p w i p w 9 1 b 3 p w 9 1 b i l y p b 3 l y p 等 对于含有过渡金属的反应 大多数研究将其模型成 非手性体系 然后从空间排斥和立体相互作用来阐明其机理 因此 本文试图通 过对几个含过渡金属催化不对称反应的体系进行量子化学理论计算 进一步了解 重要金属中间体的结构特征 深入研究过渡金属不对称催化反应的机理 以对实 验提出的机理进一步完善 a 手性嗯唑啉铜催化不对称环丙烷化反应的密度泛函研究 b 手性铑不对称催化羰基化环加成反应机理的密度泛函研究 c 手性锌催化乙醛不对称炔丙基化反应的密度泛函研究 d 二氯化铂催化羟基烯炔的不对称成环异构化反应的密度泛函研究 对于第一个体系 经过适当模型化 在b 3 l y p 6 3 1 g 水平上计算 第二个体 系 未改变催化荆配体 仅仅对反应物适当模型化 在b 3 l y p l a n l 2 d z 水平上计 算 第三个体系 经过适当模型化 在b 3 l y p 6 3 1 g d p 水平上计算 第四个体 系 未作任何模型化 在b 3 l y p 6 3 1 1 g d p 水平上计算 参考文献 1 t vr a j a nb a b u a l c a s a l n u o v o a m c h e m s o c 1 9 9 2 1 1 4 6 2 6 5 2 w s k n o w i e s a c c c h e m r e s 1 9 8 3 1 6 1 0 6 3 w v o c k e h a n e l eu f l o t h e r c h e m 乃幽 1 9 8 7 3 只1 2 3 4 j w s c o t t i n d h e m n e w s 1 9 8 6 7 3 2 5 k m a s h i m a c h e m c o m m u n 1 9 9 1 6 0 9 6 r n o y o r i c h e m 弛曲 1 9 9 2 2 2 3 6 0 8 e c h r i s p k l g o a d r u g s 1 9 9 0 3 9 5 2 3 9 j f a u c h e r e c t h l i e g t t l a d v d r u g sr e s 1 9 9 2 2 3 1 2 7 l o k b s h a r p l e s s c h e m t e c h 1 9 8 s 6 9 2 11 j m k l u n d e r io n a m i k b s h a r p l e s s j o r g c h e m 1 9 8 9 5 4 1 2 9 5 1 2 n h l e e a r m u c i e n j a c o b s e n t e t r a h e d r o nl e f t 1 9 9 1 3 2 5 0 5 5 1 3 k b s h a r p l e s s j a n s s e nc h e m 4 e t a 1 9 8 8 6 3 1 4 t a r a t a n i p u r e d p p lc h e m 1 9 9 5 5 7 1 8 3 9 l5 r n o y o r i s c i e n c e 1 9 9 0 2 4 8 11 9 4 1 2 第一节密度泛函理论简介 在h e i s e n b e r g s c h r 6 d i n g e r 和d i r a e 等人相继建立非相对论和相对论量子力 学以后 有一种看法是认为大部分物理和所有化学问题的理论方面原则上已经解 决 余下的问题就是求解s c h r 6 d i n g e r 方程 但是 对于越来越大的分子体系 精确求解多粒子体系的s c h r o d i n g c r 方程是一种以有涯逐无涯的事情 l 在通常 的波动力学理论中 用波函数描述体系 用波函数计算体系的性质 随着体系包 含的电子数目越来越多 波函数的自变量越来越多 形式也越来越复杂 使得精 确求解大体系的s c h r o d i n g e r 方程成为不现实的事 于是有人思考 是不是可以 从波函数形式的量子力学理论出发 找到其它描述体系的变量 解决这一难题 呢 于是密度泛函理论 d e n s i t y f u n c t i o n a l t h e o r y o f t 就应运而生了 从2 0 世纪6 0 年代密度泛函理论 d f t 提出 并在局域密度近似 l d a 下导出著名的k o h n s h a m 方程以来 d f t 己成为凝聚物理领域电子结构计算的 有力工具 近年来 在量子化学计算领域 到8 0 年代末还是分子轨道h f 方法 占主导地位 但自9 0 年代中期以来 d f t 已经超过h f 方法的研究工作 1 9 9 8 年 k o h n 因d f t 的开创性工作与p o p l c 共同获得诺贝尔化学奖 这非常准确地 表明了密度泛函理论 d f t 在量子化学计算领域的地位 1 1t h o m a s f e r m i 模型 1 9 2 7 年t h o m a s l 2 和f e r r n i r 3 1 分别提出 体系的动能可以通过体系的电子密度 表达出来 他们考察理想的均匀电子气模型 把空间分割成足够小的立方体 在 这些立方体中求解无限势阱中粒子的s c h r 6 d i n g e r 方程 假设电子之问无相互作 用 得到相应的能量和密度的表达式 把它们联系起来 简化后得到动能与粒 子密度的关系式如下 p p 尸 妩g 杀 3 丌2 3 1 1 对于原子的情况 加上核吸引势和电子问库仑势的作用 可得到总能量与 电子密度p 的关系式 州删 c 庸 布一z 睁畦晔疵m z 其中z 是核电荷数 这个模型最致命的缺点是在分子的计算中得不到原子间可能的成键结果 后来很多研究者对这个模型进行了一些修改 如d i m e 加入电子相互交换能 提 出了t h o m a s f e r m i d i m e 模型 4 1 w e i z s a e k e r 在动能泛函中加入梯度校正项 提 出了t f d w 模型 5 1 等 但都没能改变这个模型过分简化的毛病 特别是无法说 明化学键形成的事实 因此 t h o m a s f e r m i 模型及相关模型虽然在物理学中得 到一定的应用 但在化学方面却无人问滓 1 2 h o h e n b e r g k o h n 定理 要建立严格的密度泛函理论 必须解决以下两个问题 粒子密度是否能决定体系的一切性质 如何从粒子密度与体系性质的关系来求得体系性质 h o h e n b e r g k o h n 定理 6 1 回答了这两个问题 下面我们简略介绍一下 h o h e n b e r g k o h n 定理 第一定理 n 粒子体系的外部势场p 0 f 由粒子密度p f 决定 最多加上 一个无关紧要的常数 这一定理说明多粒子体系的基态单粒子密度与其所处的外 势场之间有一一对应关系 同时确定了体系的粒子数 从而决定了体系的哈密顿 算符 进而决定体系的所有性质 这条定理为密度泛函理论打下坚实的理论基础 证明 先只考虑基态非简并的情况 假设存在两个外势v 和v 相应的哈 密顿量分别为膏和疗 基态能量分别为岛 矗 它们的差不是一个常数 相 应的波函数不同 分别记为 和吵 假定两种情况下基态粒子密度分布p 相同 对于哈密顿量膏 把y 当成试探函数 则根据能量变分原理 有 晶 缈 l 膏l y 舻 i 疗i 矿 缈 i 疗一疗 i 矿 0 3 反 p 尸 少 f 一矿 f 方 对于疗 用少作试探函数 我们也可以得到不等式 e 昂一p 产 陟 芦 一矿 f 布 1 4 将 i 一3 式与 1 4 式相加 得到一个矛盾的式子岛 茂 一 构 二面角0 2 n 5 一z n 6 一0 7 是1 2 0 5 表1零点能校正后的总能量e 2 6 2 5 5k j m 0 1 生成能a e k j m 0 1 势垒 r k j m 0 1 和振动频率v c m 催化剂1 中o 2 上的h 1 经过渡态t s l 和t s l 转移到0 7 上 生成加合 物2 m 和2 m 离去甲醇生成活性催化剂3 m 在过渡态t s l 和t s l 中 h 1 一o 7 距离缩短 而h 1 一0 2 键增长 图3 h 1 与0 7 间己存在明显的相互作用 h 1 一o 2 键被迸一步削弱 h 1 一o 2 和h 1 一0 7 键的b c p 电荷密度分别是 髑1 0 1 7 4 7 0 1 6 7 5 t s l 0 1 7 1 9 o 1 7 4 3 表2 由图3 可知 h 1 0 2 z n 和0 7 原子构成一个四元环 其成环临界点 r c p 电荷密度分别0 0 4 0 2 和 0 0 4 0 5 计算表明 h 1 一0 2 键的断裂与h 1 0 7 键的生成是同时进行的 加合物2 m 和2 的结构与催化剂1 类似 都具有变形的四面体结构 在加合物 2 m 和2 m7 中z n o 2 是 键 z n 一0 7 是 配键 而在催化剂中2 n 一0 2 为 配键 z n o 7 是 键 甲醇从加合物2 m 和2 m 中离去生成活性催化剂3 缸 三配位锌 1t s lt s i 2 m 2 m 3 m5 m5 m t s 2t s 2 6 m 6 m 图3 催化剂和部分中间体的优化结构 络合物3 m 几乎是平面结构 二面角o 2 一n 5 一z n 6 一0 7 是1 7 3 9 4 1 2 催纯裁一缺基胡台物6 轴和a m 的生成 端炔4 与活性催化剂3 络合生成催化剂一炔烃加合物翮和鲥 加合物 5 m 和酬 中h 8 经过渡态t s 2 和t s 2 转移到0 2 上 生成催化剂一炔基加合 物6 m 和6 m 自然键轨道 n b 0 分析表明 中问体5 m 和5 m 中存在o i t 配 键 丙炔的 分子轨道与金属z n 的空不等性s p 3 杂化轨道叠加 由丙炔提供n 电子生成a 配键 另一方面 z n 的占有d 轨道 d 町 d n d 与丙炔的 反键 轨道叠加生成反馈 键 o n 配键的形成降低了体系能量 使中间体5 m 和5 m 更稳定 从图3 中的键长和表2 中的成键临界点 b c p 电荷密度可以看出 与 t s lt s l t s 3 r ats3ra ts3sat s 3 s a t s 3 r bts3rb ts3sb t s 3 s b 图4 过渡态的二维电荷密度等高线及成键临界点电荷密度 端炔3 比较 5 m 和5 m 的h 8 一c 9 键已被削弱 键增长 0 1 0 6 4 0 1 0 6 9 n m b c p 电荷密度减小 0 2 8 9 1 0 2 8 7 2 过渡态t s 2 和t s 2 的结构与过渡态t s l 和t s l 相似 在过渡态t s 2 和t s 2 中 丙炔与金属z n 间的0 一 配键已断裂 h 8 一0 2 距离缩短 而h 8 c 9 键增长 图3 h 8 与o 2 间己存在明显的 相互作用 h 8 c 9 键被迸一步酗弱 h 8 一0 2 和h 8 一c 9 键的b c p 电荷密 度分别是t s 2 0 1 4 5 1 0 1 5 2 8 t s 2 0 1 6 9 9 0 1 4 0 1 表2 由图4 可知 h 8 o 2 z n 和c 9 原子构成一个四元环 其成环临界点 r c p 电荷密度分 别为0 0 4 1 l 和0 0 3 6 0 计算表明 h 8 一0 2 的生成与h 8 一c 9 的断裂是同时 进行的 中间体6 m 和6 m 的结构与催化剂l 非常相似 都是四面体结构 n b o 分析表明 6 m 和6 m 的z n c 9 键是单键 o 键 其自然键轨道能量分别为 1 1 8 5 7 5 和一1 1 9 6 2 0k j m o l 此外 我们尝试计算了丙炔首先与催化剂l 配位 h 8 从炔上转移到o 7 上 然后甲醇离去生成加合物6 m 和6 m 但所有的计算并没给出设计的结果 4 1 3 夏盛模式 a 反应模式 a 是指乙醛从催化剂一炔基加合物酬和6 m 的r e 一面进攻 图 2 反应经过渡态t s 3 r a t s 3 s a t s 3 r a 和t s 3 s a 生成催化剂一手性醇加合 物9 r a 9 s a 9 r a 和9 s a7 由图4 和图5 可知 过渡态中 h 8 与0 1 2 间以及c 9 与c 1 3 间已存在明显的相互作用 h 8 0 1 2 和c 9 一c 1 3 键的 成键临界点 b c p 电荷密度分别为t g r a 0 1 2 0 2 0 0 9 6 6 t s 3 s a 0 1 1 6 0 0 0 9 4 1 t s 3 r a 0 1 2 5 6 0 0 9 5 7 t s 3 s a 0 1 1 5 2 0 0 9 6 9 h 8 0 2 z n c 9 c 1 3 和0 1 2 原子构成一个六元环 图4 成环临界点 r c p 电 荷密度分别为0 0 1 1 2 0 0 1 0 7 0 0 1 1 2 和0 0 1 0 9 与催化剂一炔基加合物6 m 和6 m 比较 过渡态中h 8 一0 2 和0 1 2 一c 1 3 键被明显削弱 其键长明显增 长 h 8 0 2 键增长约0 0 1 2 r i m 0 1 2 c 1 3 键增长约0 0 0 7 5 n m b c p 电荷密 度明显减小 h 8 一0 2 键减小约0 1 i 0 1 2 c 1 3 键减小约0 0 5 5 h 8 一0 2 和0 1 2 一c 1 3 键的削弱 有利于h 8 向0 1 2 转移 计算表明 h 8 一0 1 2 和c 9 一c 1 3 键的形成与h 8 一o 2 键的断裂是同时发生的 催化剂一手性醇加合物9 r a 9 s a 9 r a 和9 s a 解离生成产物1 0 并再生 活性催化剂3 m n b o 分析表明 加合物9 r a 9 s a 9 r a 和9 s a 也含有a 一 表2 中间体和过渡态中一些键的成键临界点电荷密度p b o n db o 1 ddb o n dp i i 卜0 2 0 1 7 4 7 肼i 0 2 0 1 7 1 91 t i 0 2 0 0 4 0 0 t s ih i 州7 0 1 6 7 5 i s l h 1 姗7 0 7 4 32 m h 1 卜o 7 03 3 4 i z n o 7 00 7 7 3 z 0 0 n 0 7 7 3z n o 7 0 0 6 0 i 1 1 o 2 0 0 4 2 5 z n o 2 o i l 取 z n o 2 0 1 1 5 7 2 m q l 州7 03 3 1 i s mz n c 9 0 0 狮5 m z n c 9 00 2 6 2 z q 7 0 0 4 7 5 h g c 9 0 2 8 7 2 h 8 c 9 0 2 z n o 2 0 0 7 5 b7 j c 9 n 2 8 z a l c 9 0 0 2 6 4 z r c 9 0 0 6 3 4h 8 卜o 2 02 3 7 2 1 1 8 0 2 0 0 4 2 3 t s 2h f 8 0 2 n i it s 3 h i f 8 0 1 2 0 1 2 0 29 n i i s 朋1 2 0 3 3 a c 9 0 i 2 8 c 9 c 1 3 0 0 9 6 6 c 9 州1 3 n 2 5 跖 0 1 2 c 1 3 03 5 0 l o t 2 c 1 3 02 7 2 4 z n o 2 00 7 1 4 z n c 9 0 0 8 1 6 z n c 9 00 2 7 7 z n c 9 o0 5 4 6 w 8 0 2 0 2 4 2 6 1 t 8 o 2 0 0 4 5 7 t s 2 i i 8 卜0 0 0 1 6 9 9t s 3 s 取8 o t 2 0 1 1 6 0 9 a阿8 0 0 2 o 3 3 5 7 h f s c 9 0 1 4 0 1 c 9 卜c 1 3 0 0 9 4 i c 9 c 1 3 o2 5 7 9 q 1 2 c 1 3 o 3 5 4 60 i 2 c i 3 o2 7 5 3 埘8 o 2 o3 5 6 2 z l a c 9 0 0 8 4 l z n c 9 o0 3 0 7 z n o 2 0 0 4 4 l r l g o 卦 玑2 3 2 5州8 脚 o0 5 0 0 6 mz n c 9 o l l 3 5t s 3 r a i 8 1 2 n 1 2 5 69 r h 8 朋1 2 03 2 9 9 c 9 c i o 03 9 6 l c 9 c 1 3 0 0 9 5 7 c 9 c i3 02 5 6 5 0 1 2 c 1 3 o3 5 3 6 1 2 c 1 3 0 2 7 7 6 h f s o 2 03 7 z l r c 9 0 0 8 3 1z r c 一 0 m 2 8 8 z n o 2 0 0 4 1 3 h 8 卜0 2 o 2 4 3 9 1 t 8 o 2 0 0 4 7 5 6 m z n c 9 0 1 1 4 0 t s s 8 0 0 2 0 1 1 5 29 s a h 8 o 1 2 03 3 1 3 c 9 c i 0 o3 9 6 l c 9 c 1 3 o0 9 6 9c 9 卜c 1 3 o2 5 7 2 o 1 2 c 1 3 03 5 4 3 o f l 2 c 1 3 o 2 7 6 2 z n c 9 0 1 0 9 9 z n 4 2 9 0 0 7 2 lz n o 1 2 0 1 0 9 7 z n o 1 2 0 n 3 5 4 z n o 1 2 0 0 6 0 7 c 9 c 0 3 o2 5 8 舫 t s r b9 r b 0 1 2 c 1 3 03 9 3 0c 9 c i3 0 0 9 8 7 1 2 k 13 02 8 2 1 0 1 2 卜c 1 3 0 3 5 3 4 z n c 9 0 1 0 7 5z n c 9 0 口7 0 6z i p 0 1 2 0 1 0 9 6 z 吲1 2 0 0 3 2 0 7 n 0 1 2 n 1 2 c 9 c 1 3 0 2 5 6 6 8 s bt s 3 s b9 b 0 0 2 c 1 3 o3 钾5c 堋1 3 0 l 0 0 6 1 2 c 1 3 02 9 0 8 o 1 2 c 1 3 o3 5 z c 9 0 1 0 8 2 z n c 9 00 6 0 l z n o 1 2 0 1 1 2 8 z n o 1 2 0 0 3 4 9z a o 1 2 o 嘶3 0 c 9 c i j j 0 2 5 5 5 8 r b t s 3 r b 9 r i j o f l 2 c t 3 o3 9 5 1 c 9 c i3 0 0 9 2 2 o t 2 c 1 3 o2 8 1 5 讲1 2 c 1 3 0 3 5 5 9 z n c 9 o 0 7 6 z n o 1 2 0 0 6 1 9z n o 1 2 1 0 1 1 2 3 8 b z n o 1 2 o 1 3t s 3 s b c 9 c 1 3 0 0 9 1 99 s b c 9 c 1 3 02 5 5 9 0 2 c 1 3 03 9 7 8o fj 2 c 0 3 03 5 6 30 1 2 c 1 3 j 0 2 0 2 9 5 4 9 r a 9 r b 9 r a 9 r b 7 9 s a9 s a 9 s b 9 s b 图5 反应模式 a 和 b 中的优化结构 5 5 配键 由图4 和表2 可知 h 8 与0 2 间存在氢键 其键长分别为0 1 7 0 9 0 1 6 8 5 0 1 6 7 0 和0 1 6 8 2 n m b c p 电荷密度为0 0 4 2 3 0 0 4 5 7 0 0 5 0 0 和0 0 4 7 5 h 8 一0 2 氢键的存在导致它们具有环结构 在这些加合物中 o 1 2 一c 1 3 键 乙醛羰基 键 已断裂 4 1 4 反 模式 4 反应模式 b 是指乙醛从催化剂一炔基加合物6 埘和6 m 的s i 一面进攻 图 2 乙醛与加合物6 m 和6 m 反应生成催化剂一炔基一乙醛加合物8 r b 8 s b 8 r b 和8 s b 经过渡态t s 3 r b t s 3 s b t s 3 r b 和t s 3 s b 生成催化剂一手性 醇加合物9 r b 9 s b 9 r b 和9 s b 在催化荆一炔基一乙醛加合物8 r b 8 s b 8 r b 和8 s b 中 z n 形成五配位络合物 c 9 与c 1 3 的距离分别是0 4 0 7 4 0 3 3 1 6 0 3 8 4 l 和0 3 2 7 3 n m 乙醛的羰基键被削弱 b c p 电荷密度减小约0 0 1 过渡态t s 3 r b t s 3 s b t s 3 r b 和t s 3 s b 中 c 9 一c 1 3 距离明显缩短 o 1 2 一c 1 3 键明显增长 图5 c 9 与c 1 3 间已存在明显的相互作用 0 1 2 一c 1 3 键被 进一步削弱 c 9 一c 1 3 和o 1 2 一c 1 3 键的b c p 电荷密度分别是t s 3 r b 0 0 9 8 7 0 3 5 3 4 t s 3 s b 0 1 0 0 6 0 3 5 2 4 t s 3 r b 0 0 9 2 2 0 3 5 5 8 t s 3 s b 0 0 9 1 9 0 3 5 6 3 表2 由图4 可知 c 9 z n 0 0 2 和c 1 3 原子构成一个 四元环 其成环临界点 r c p 电荷密度分别0 0 3 1 8 0 0 3 2 2 0 0 2 9 9 和0 0 2 9 9 此外 z n c 9 键削弱 其b c p 电荷密度比催化剂一炔基一乙醛加合物8 的相 应键减小约0 0 4 z n c 9 铲约进一步削弱将导致其断裂 计算表明 z n c 9 键的断裂与c 9 一c 1 3 键的形成是同时进行的 与加合物9 r a 9 s a 9 r a 和 9 s a 不同 加合物9 r b 9 s b 9 r b 和9 s b7 没有环结构 且乙醛的羰基n 键已 断裂 它们解离生成产物l o 4 1 5 不对称快丙基纯反窿机理 观察反应各中间体和过渡态的结构可知 标有记号 r 的中间体和过渡态 将导致 r 一手性醇 而有 s 记号的将导致 s 一手性醇 由图2 可知 催 化剂l 含有两个手性碳 在反应过程中这两个手性碳将保持原有手性不变 同时 反应中乙醛的羰基碳将生成第三个手性碳而得到手性醇 这个手性碳可能是r 手性的或s 手性的 因此 标有记号 r 与 s 的反应中间体或过渡态 如 8 r b 与8 s b 9 r b 与9 s b t s 3 r a 与t s 3 s a t s 3 r b 与t s 3 s b 等 不是对映异构体 它们将有不同的能量 图6 示出了手性锌催化乙醛不对称炔丙基化反应过程的 d f t 能量关系 1 b 5 0 重4 0 j 司 2 一o 1 02 03 0 o5 0 r e a c t i o nc o o r d i n a t e 图中 1 4 7 1 1 乙醛不对称炔丙基化反应的能量关系 考察乙醛不对称炔丙基化反应的各基元反应的能量变化 图6 和表1 加 合物2 m 和2 m 的生成是放热的 约4 k j m 0 1 3 m 的生成是吸热的 催化剂一 炔烃加合物5 m 和5 m 含有一个金属0 一n 配键 稳定性较高 能量较低 其生 成是放热的 生成催化剂一炔基加合物6 m 和6 m7 时 金属与端炔碳原子形成 0 键 能量降低 是吸热的 对于反应模式 a 催化剂一手性醇加合物9 r a 9 s a 9 r a 和9 s a 也含有金属0 一 配键 且有h 8 0 2 氢键存在 能量降低 其反应是吸热的 对于反应模式 b 在生成催化剂一手性醇加合物之前 生成 催化剂一炔基一乙醛加合物8 r b 8 s b 8 r b 和8 s b 由于生成了稳定的z n 0 1 2 键 降低了体系能量 因此催化剂一炔基一乙醛加合物的生成是放热的 催化荆 一手性醇加合物9 r b 9 s b 9 r b 和9 s b 的生成也是放热的 此外 从表1 和 图6 容易看到 乙醛不对称炔丙基化反应是吸热的 吸收的总能量为3 1 k j m o 在过渡态t s 2 和t s 2 中 丙炔与金属锌间的0 一 配键已断裂 且具有四 元环结构 故具有较高的能量 过渡态t s 3 r a t s 3 s a t s 3 r a 和t s 3 s a 具有 六元环结构 涉及到h 8 一o 2 z n c 9 键和o 1 2 一c 1 3 n 键的断裂 以及 h 8 一0 1 2 c 9 一c 1 3 键和金属0 一n 配键的生成 过渡态t s 3 r b t s 3 s b t s 3 r b 和t s 3 s b 具有四元环结构 涉及z n c 9 键和0 1 2 c 1 3 键的断 裂 以及c 9 一c 1 3 键的生成 粗略地看 反应模式 a 的过渡态比模式 b 的过渡态多生成一个金属0 一n 配键 另一方面 四元环结构的张力显著地比六 元环结构的大 故具有六元环结构的体系应比四元环结构体系稳定 因此 过渡 态t s r 3 a t s 3 s a t s 3 r a 和t s 3 s a 应具有比过渡态t s 3 r b t s 3 s b t s 3 r b 和t s 3 s b 较低的能量 从表1 可见 模式 a 的过渡态能量比模式 b 的低 3 2 至5 5k j m o l 过渡态t s 3 r a t s 3 s a t s 3 r a 和t s 3 s a 的势垒比过渡态t s 3 r b t s 3 s b t s 3 r b 和t s 3 s b 的势垒低5 9 至8 2k j m o l 由前面的讨论可知 反应模式 8 和模式 b 各有四条反应通道 模式 a 的过渡态势垒明显比模式 b 的过渡态势垒低 两种反应模式都必须经过 一个较高能量的过渡态t s 2 或t s 2 图6 因此 手性锌催化乙醛不对称炔丙 基化反应主要按反应模式 a 进行 由表1 可见 过渡态t s 3 r a t s 3 s a t s 3 r a 和t s 3 s a 的势垒分别为1 7 3 3 3 0 4 6 2 5 4 7 和3 0 7 2k j m o l 显然 反应的 主要通道应是卜t s l 2 m 一3 m 一5 m t s 2 6 m t s 3 r a 9 r a i o r 这个反应通道将导致与 实验一致的 r 一手性醇o 3 进一步从表l 和图5 可知 对于反应模式 a 过渡态t s 2 的势垒明显高于过渡态t s 3 r a 的势垒 因此催化剂一炔基加合物6 m 的生成是乙醛不对称炔丙基化反应速率控制乙步ri 催化荆一手性醇加合物9 的生成是反应的手性决定步骤 4 2 结论 综上所述 手性锌催化剂催化乙醛不对称炔丙基化反应共有八条可能的反 应通道 主要经历了催化剂一炔烃结合物 催化剂一炔基加合物和催化剂一手 性醇加合物等生成过程 反应过渡态具有六元环结构 反应是吸热的 催化剂 一手性醇加合物的生成是反应的手性决定步骤 理论预测的主要产物是与实验 吻合的 r 一炔丙基醇 参考文献 1 p u l y u h b c h e mr e v 2 0 0 1 1 0 1 7 5 7 2f r a n t z d e f i s s l e r r c a r r e i r a e m 彳m c h e ms o e 1 9 9 9 1 2 1 i1 2 4 5 3 j i a n g b s i yg a n g e w c h e mi n te d 2 0 0 4 4 j 2 1 6 4 y a n g x w s h e n j h d a c s w a n g h s s u w w a n g r c h a n a s c o r g c h e m 2 0 0 0 6 5 2 9 5 5 x u z q w a n g r x u j k d a c s y a h w j c h e n c a n g e mc h e mi n t e d 2 0 0 3 4 2 5 7 4 7 6 d a c s h a n z j n i m y a n g f l i u d x z h o u y ft e t r a h e d r o n a s y m m e t r y2 0 0 3 1 4 6 5 9 7 t o m b o g m r d i d i e r e l o u b i n o u x b s y n l e t t1 9 9 0 5 4 7 8 f r a n t 二d e f a s s l e r r c a r r e i r a e m a m c h e m s o c 2 0 0 0 1 2 2 l8 0 6 9 b o y a l l d l 6 p e z f s a s a k i h f r a n t z d e c a r r e i r a e m o r g l e t t 2 0 0 0 2 4 2 3 3 1 0f r a n t z d e f i l s s l e r r t o m o o k a c s c a r r e i r a e m a c c h e m r e s 2 0 0 0 3 j 3 7 3 l is a s a k i h b o y a l l d c a r r e i r a e m 胁如c h i m a c t a2 0 0 1 8 4 9 6 4 1 2b o d e j w c a r r e i r a e m j a m c h e m s o c 2 0 0 1 1 2 3 3 6 1 1 1 3a n a n d n k c a r r e i r a e m 一a m c h e m s o c 2 0 0 1 1 2 3 9 6 8 7 1 4f i s c h e r c c a r r e i r a e m o r g l e f t 2 0 0 1 3 4 3 1 9 1 5 f 矗s s l e r i l f r a n t z d e o l e r j c a r r e i r a e m a n g e w c h e m i n t e d 2 0 0 2 4 1 3 0 5 4 1 6w e i c l i c j ja m c h e ms o c 2 0 0 2 1 2 4 5 6 3 8 i7l i m z h u x z y u a n k c a n b x h o u x l t e t r a h e d r o n a s y m m e t r y2 0 0 4 1 5 219 l8 z h o u y f w a n g r x u x q y a h w j l i ul g a o yf d a c s t e t r a h e d r o n a s y m m e t r y2 0 0 4 1 5 5 8 9 1 9 t a n l c h e n c y t i l l y e r r d g r a b o w s k i e j j r e i d e r p j a n g e c h e m 1 m e d 1 9 9 9 3 8 7 1 1 2 0k i t a r a u r a m o k a d a s s u 盼s n o y o r i r j a m c h e m s o e 1 9 8 9 t l l 4 0 2 8 2 1k i t a m u r a m o k a d a s n i w a m n o y o f i r z h a i z s u g a s j d u 岱 c h e m 1 9 9 4 9 8 1 2 7 7 6 2 2 y a m a k a w a m n o y o r i r a m c h e m s o c 1 9 9 5 1 17 6 3 2 7 5 9 2 3 2 4 2 5 2 6 y a m a k a w a m n o y o f i r o r g a n o m e t a l l i c s 1 9 9 9 1 8 12 8 z h a n g h l j i a n g f z h a n g x m c u i x g o n g l z m i a q j i a n g y z w u 丫 d c h e m e u r j2 0 0 4 1 0 1 4 81 l t s u n o k f r e e h e t j m j o r g c h e m 1 9 8 7 5 3 9 2 7 f f i s e i l m j t r u c k s g w s c h l e g e h b s c u s e r i a g e r o b b m a c h e e s e m a n j r m o n t g o m e r y j a v r e v e n j r t k u d i n k n b u r a n t j c m i l l a m j m l y e n g a r s s t o m a s i j b a r o n e v m e n n u c c i b c o g s i m s c a l m a n i g r e g a n p e t e r s s o n g a n a k a t s u j i h h a d a m e h a r a m t o y o t a k f u k u d a r h a s e g a w a j i s h i d a m n a k a j i m a t h o n d a y k i t a o o n a k a i h k l e n e m l i x k n o x j e h r a t c h i a n h p c r o s s j b a d a m o c j a r a m i l l o j g o m p e r t s r s u a t m a n n r e y a z y e v o a u s t i n a j c a m m i r p o m e l l i c o e h t e r s k i j w a y a l a p y m o r o k u m a k v o m g a s a l v a d o r p d a n n e n b e r g j j z a k r z e w s k i v g d a p p f i c gs d a n i e l s a d s t r a i n m c f a r k a s o m a l i c k d k r a b