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铜催化合成咪唑啉酮类化合物和2,3-吲哚醌机理的理论研究

乔艳  
【摘要】:近年来,过渡金属催化的交叉偶联反应发展非常迅速,它们在有机合成化学中起着极为重要的作用。过渡金属催化的交叉偶联反应条件温和,这为我们的研究提供了必要的条件。常见的过渡金属催化剂有钯和铜,钯由于其自身价格昂贵且对环境影响较大,因此限制了它在某些偶联反应中的应用。现阶段铜作为一种价格低廉且毒性较低的过渡金属催化剂在有机合成化学中起着不可替代的作用。 本文采用精确的量子化学计算方法对铜催化合成咪唑啉酮类化合物的反应和铜催化合成2,3-吲哚醌的反应进行了系统的理论研究。这里的研究是在实验的基础上进行的,通过对两个反应分别设计合理的反应历程,提出两个反应各自的较为全面的反应机理,并且在实际的理论研究过程中,发现并确定了两个反应在各自的实验条件下的最优反应通道,这个研究结果不仅为新物质的合成提供了坚实而有力的理论基础,同时具有重要的指导意义。本文的主要内容概括如下:1铜催化C-N偶联合成咪唑啉酮类化合物机理的理论研究 我们在B3LYP/6-311G(d, p)的理论水平上研究了铜催化合成咪唑啉酮类化合物的反应,其中我们选择了铜催化合成4-苯乙烯基咪唑啉-5-酮的反应机理进行研究,并对其反应机理进行了详细的理论计算。通过在气相环境中对反应中涉及到的所有的反应物、产物、中间体和过渡态进行结构优化和频率计算,我们找到了该反应的两条反应通道。在考虑了两条反应通道的溶剂化效应以后,我们知道了通道一中的最高反应势垒为37.64 kcal/mol,通道二中的最高反应势垒为41.65 kcal/mol。这样我们确定了通道一是铜催化合成4-苯乙烯基咪唑啉-5-酮反应的较优反应通道,即为反应的主通道,通道二为反应的次通道。2铜催化C-C偶联合成2, 3-吲哚醌机理的理论研究 采用密度泛函理论(DFT)方法,在B3LYP/6-311G(d, p)的计算水平上,对过渡金属铜作为催化剂来合成2, 3-吲哚醌的反应机理进行了系统的理论研究。通过研究我们知道: (1)铜催化合成2, 3-吲哚醌是一个复杂的多步反应,该反应有两种可能的反应机理。它们分别是CuCl_2上的Cu原子进攻甲酰化氮甲基氮苯基甲酰胺分子中的C原子的反应机理和CuCl_2上的Cu原子进攻甲酰化氮甲基氮苯基甲酰胺分子中的O原子的反应机理。这两种反应机理又可分别通过两个通道继续进行。 (2)通过对两条反应路径的势能面的分析,并且比较了各通道中过渡态的相对能量和最高反应势垒。我们知道了CuCl_2上的Cu原子进攻甲酰化氮甲基氮苯基甲酰胺分子中的O原子的反应机理是反应的较优反应机理。在CuCl_2上的Cu原子进攻甲酰化氮甲基氮苯基甲酰胺分子中的C原子的反应机理中,通道二为反应的主通道,通道一为反应的次通道,而在CuCl_2上的Cu原子进攻甲酰化氮甲基氮苯基甲酰胺分子中的O原子的反应机理中则是通道三为反应的主通道,通道四为次通道。


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