水或多肽參與的綠色催化反應(yīng)機制理論研究.pdf

1、綠色化學(xué)是目前化學(xué)中的熱點研究領(lǐng)域。為了實現(xiàn)綠色化學(xué)從源頭消除或減少污染物的目標，催化劑是化學(xué)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，大量的科研小組致力于催化劑尤其是綠色催化劑的研究。計算化學(xué)是催化劑研究手段中一個不可或缺的手段，因為理論模擬可以得到催化劑和反應(yīng)所有可能的駐點的結(jié)構(gòu)和能量，并計算反應(yīng)可能經(jīng)歷的活性中間體和實驗上無法直接觀察到的過渡態(tài)以及可能的反應(yīng)路徑和相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。本論文中，利用計算化學(xué)手段重點研究了幾類典型的綠色催化劑反應(yīng)機理，

2、揭示出影響反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵因素，可以優(yōu)化反應(yīng)條件，為進一步的實驗研究提供理論依據(jù)。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1.水是最佳的綠色催化劑。采用B3LYP/6-311++G(d，p)對芳香性Claisen重排反應(yīng)的"油"滴/水界面處水催化機理進行研究。"水面"反應(yīng)條件可以簡化為:由于反應(yīng)底物的不溶性，有機物"油"滴分散在水中/水面上。假設(shè)"水面"反應(yīng)的加速作用只由油滴/水表面處的反應(yīng)物和過渡態(tài)和水簇結(jié)合能力的不同來決定。首先利用

3、MD確定水簇催化的主要位點。計算表明無論在氣相還是QM/MM方法考慮的大量水條件下椅式[3，3]分子內(nèi)遷移都是水催化反應(yīng)的決速步驟。這個結(jié)果可以很好地解釋實驗現(xiàn)象。利用結(jié)合能、NPA、受體-給體NBO數(shù)據(jù)對表面反應(yīng)加速的原因給出合理的解釋。計算結(jié)果表明水簇作為質(zhì)子遷移橋加速了質(zhì)子遷移的速率，因此，"水面"方法可以加速芳香性Claisen重排。"水面"條件下起主要加速反應(yīng)的作用來自界面處的反應(yīng)，建議實驗過程中通過增加反應(yīng)物的表面積，加速反

4、應(yīng)。
　　2.在B3LYP/6-311++G(d，p)水平下研究了"水面"環(huán)氧化物親核開環(huán)反應(yīng)的水催化反應(yīng)機理。分別用無水和水催化機理模擬純相和表面反應(yīng)。無水機理的兩條通道是競爭過程。利用四個水分子組成的水簇模擬界面處水催化反應(yīng)機理的關(guān)鍵部位。水催化反應(yīng)機理的最佳通道是一步反應(yīng)，其中背面進攻的親核開環(huán)過程和質(zhì)子遷移協(xié)同進行。該質(zhì)子遷移過程由結(jié)構(gòu)參數(shù)分析和鍵級共同驗證得到。水催化反應(yīng)能壘比無水催化反應(yīng)的決速步驟的能壘低，表明界面反應(yīng)

5、比純相反應(yīng)速率快。該結(jié)果說明"水面"反應(yīng)的加速原因在于"油滴"/水界面處的反應(yīng)比純相反應(yīng)快。結(jié)合能和電子密度的計算結(jié)果證明了水簇在過渡態(tài)的催化作用。NPA電荷分析表明水簇不僅協(xié)助了質(zhì)子遷移的進行，而且通過兩個不同強度的質(zhì)子遷移引起的電荷轉(zhuǎn)移增強了進攻和離去基團的作用。親核指標和穩(wěn)定化能證實了進攻和離去基團作用的增強。計算結(jié)果為實驗提供最佳反應(yīng)條件:徹底粉粹反應(yīng)物并對反應(yīng)體系加速攪拌將有利于"水面"反應(yīng)的加速。
　　3.在MP2/6

6、-31G(d，p)水平下分別研究在水溶液和亞硫酸鹽溶液中的胞嘧啶(C)和5甲基胞嘧啶(5mC)的脫胺反應(yīng)機理。在水溶液中，C有兩條可能的反應(yīng)通道。在水溶液中5mC的脫胺反應(yīng)與C的脫胺反應(yīng)類似，且具有相似的機理和反應(yīng)能壘。在亞硫酸鹽的協(xié)助下，HSO3-加成在C的5，6雙鍵上，迅速的生成C-SO3-。C-SO3-的脫胺反應(yīng)速率較慢主要原因是由于水分子和決速步驟中間體之間形成強氫鍵導(dǎo)致。
　　4.利用B3LYP/6-31G(d，p)方法

7、研究手性非官能化4-苯基-1，2二氫化萘環(huán)丙烷化反應(yīng)的反應(yīng)機理。根據(jù)計算結(jié)果首次提出一個簡化的模型來解釋手性非官能化烯烴環(huán)丙烷化反應(yīng)的高立體選擇性的原因。過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)滿足"三點接觸模型"，其中包括反應(yīng)中心的成環(huán)作用和兩個空間位阻（SR1和SR2）。另一方面，發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)有效催化劑是MeO-L-Pro-L-Val-Boc-N-ZnCH2Cl·ClZnR(R=Cl或CH2Cl)，其中配位的ClZnR反應(yīng)中心的-ZnCH2Cl是一個剛性基團。同

8、時，配位的ClZnR也起到了加速反應(yīng)的作用。適合此類反應(yīng)底物的條件是具有剛性的與α-C相連的H和剛性的雙鍵上的大空阻基團。根據(jù)這個機理，成功地對實驗所用底物的反應(yīng)結(jié)果進行了合理的解釋。此外，進一步在理論上對該活性催化劑進行了修飾。其中用-N(CH3)2，將-L-Pro-OMe取代，得到的催化劑可能具有更高的催化活性，并且這個催化劑的合成可能更簡易。因此，研究結(jié)果為手性非官能化烯烴環(huán)丙烷化高立體選擇反應(yīng)進一步的實驗研究奠定基礎(chǔ)。
　

9、　5.采用實驗和理論相結(jié)合，研究了新穎的Pd催化芐位C-H胺化反應(yīng)。計算表明，Pd(OAc)2與底物結(jié)合形成復(fù)合物，在NFSI氧化作用下，形成中間體Pd(Ⅳ)復(fù)合物。在無水條件下，該復(fù)合物先進行Ha遷移，后進行Hb遷移，整個反應(yīng)的能壘為46.9 kcal/mol。水協(xié)助作用下，該復(fù)合物中的Ha和Hb分別與一個四水簇和三水簇結(jié)合。水協(xié)助Pd(Ⅳ)-F催化拔氫反應(yīng)的最佳路徑也是Ha先遷移，Hb后遷移，反應(yīng)的總能壘為33.0 kcal/mol

10、。計算結(jié)果與實驗現(xiàn)象相吻合。在水的作用下，Pd-F鍵容易斷裂形成Pd-OH鍵，首次從理論上研究了這一機理，為實驗發(fā)現(xiàn)補充了理論解釋。Pd(Ⅳ)-OH催化的拔氫過程與Pd(Ⅳ)-F催化類似。最后，形成醌式中間體經(jīng)過雙分子無能壘過程生成產(chǎn)物，與實驗結(jié)果一致。還首次從理論上提出了Pd(Ⅳ)螺鈀中間體概念，NBO研究表明這支螺鈀鍵由Pd的d軌道和s軌道與原位C的p軌道作用形成，為進一步研究Pd(Ⅱ)/Pd(Ⅳ)催化機理提供新思路。
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