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手性(口恶)唑硼烷催化酮肟醚的不对称还原反应的量子化学研究

郑文旭  
【摘要】: 本研究工作用量子化学从头计算方法进行了手性噁唑硼烷催化硼烷对前手 性酮肟醚不对称还原反应的量子化学计算,讨论了该反应的机理。 本文采用Hartree-Fock从头计算方法在6-31g*基组下,对噁唑硼烷催化 剂及不对称还原反应各中间态结构进行了完全优化,研究了反应各中间态的结构 及其对催化还原反应的影响。 噁唑硼烷催化剂1具有扭曲的椅式构型,0(1)-B(2)原子间存在部分π 键。硼烷与噁唑硼烷催化剂1的N(3)原子相互作用生成噁唑硼烷-硼烷加合物 2,反应是放热的,它的生成使得体系更稳定,同时还削弱了硼烷中B-H键的强 度。 噁唑硼烷-硼烷加合物2与酮肟醚1*反应生成噁唑硼烷-硼烷-酮肟醚加合 物3。由于酮肟醚中羰基氧原子和肟基氮原子都能够提供孤电子对与噁唑硼烷中 B(2)原子的空轨道配位,所以可能存在3a和3b两种结构,它们各有四种稳定 的构型。3a的生成削弱了酮肟醚中C=0键的强度,且羰基碳C_(c=0)与硼烷中的氢 H_(BH3)间存在很弱的相互作用;3b的生成削弱了酮肟醚中C=N键的强度。同时肟基 碳C_(C=N)与硼烷中的氢H_(BH3)间也存在很弱的相互作用,这有利于下一步负氢离子向 羰基碳或肟基碳的转移。 加合物3a中BH_3上的一个负氢离子向羰基碳转移,这时B_(BH2)原子可能与羰 基氧配位形成含四元环的加合物4a也可能与肟基氮配位形成含七元环的加合物 4a*。这两种加合物的生成反应都是放热的,且各有四种稳定的构型。从能量的 观点来看,加合物4a*具有较加合物4a更低的总能量和生成能,因而形成的可 能性更大。若加合物4a能够形成,在下一步反应中,其四元环在B(2)-O_(C=0)键处 断裂,肟基氮与B(2)配位形成含七元环的加合物5a'。比较4a*与5a'发现它们 中C=N的键长、Mulliken重叠集居数以及加合物中其它成键轨道与C=N反键π 轨道间的稳定化相互作用能E(2)几乎都是相同的,说明它们的形成对下一步要 被还原的肟基的影响是相当的,但是考察它们的优势构象又会发现,由5a'的优 势构象所决定的还原产物的肟基碳的手性与实验结果相反,而由4a*的优势构象 所决定的还原产物的肟基碳的手性与实验结果是相一致的。 若加合物3b中BH_3上的一个负氢离子转移到肟基碳上,B_(BH2)原子则可能与 肟基氮配位形成含四元环的加合物4b也可能与羰基氧配位形成含七元环的加合 物4b*。两种加合物的生成反应都是放热的,而前者的生成能更低一些。若反应 按生成4b的路线进行,4b中的四元环将在B(2)-N_(C=N)键断开,羰基氧与B(2)配 位形成含七元环的加合物5b',其生成反应是吸热的。比较4b*与5b'可以看出,4b* 中C=0的键长明显长于5b'中C=0的键长,C_(C=0)原子与0_(C=0)原子间的Mulliken重 摘 要 叠集居数在4b*中也明显低一些。这些结果说明4b*的形成对下一步碳基的还原 更为有利。考察它们的优势构象发现,由 4b*fo sb的优势构象所诀定的还原产 物的碳基碳的手性均与实验结果相反。 加合物5山5劝、sb、sb*的构型使得还原产物的手性被最终被确定下来。 从能量上看B。*、sb、sbb者的优势构象具有非常接近的总能量,且比5。的总 能量低得多,而由它们所决定的还原产物构型均为IS,ZR叫顾式氨基醇,与实验 结果正好一致。


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