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密度泛函理论研究过渡金属铜的催化机理及溶剂DMF的作用

作　者: 袁斌芳
导　师: 李明
学　校: 西南大学
专　业: 物理化学
关键词: 密度泛函质子转移 N,N-二甲基甲酰胺亲核加成
分类号: O643.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

采用密度泛函理论中的BhandHLYP方法对Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)催化环化O-炔基苯甲醛合成环烯醚、CuBr催化2-(1-炔基)-2-烯基-1-酮合成高取代呋喃、CuBr催化N-(o-炔基苯基)亚胺合成环化吲哚这三个体系进行理论研究。详细地探索了影响反应机理的一些重要因素,如过渡金属Cu催化剂的作用、溶剂DMF的角色和Cu的不同价态对反应选择性和产率的影响。获得的结果为设计催化活性更好的新型催化剂提供了理论依据。1.Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)催化环化O-炔基苯甲醛反应机理的密度泛函研究：各关键因素对反应机理的影响在BhandHLYP/6-31G*(LANL2DZ对于Cu)水平上对Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)催化环化O-炔基苯甲醛的反应机理进行详细的理论研究。理论计算结果表明在最优的催化路径中包含分子内亲核环化加成和DMF协助下的氢转移两个重要的反应步骤。通过计算我们详细地阐述了以下三个问题：a) CuCl作为金属催化剂可以大大降低分子内环化亲核加成的活化能：b)溶剂DMF在两步氢转移过程中起着至关重要的作用,它可以作为shuttle协助质子转移,进而大大降低氢转移过程的活化能。另外,我们还发现过量的底物MeOH在协助氢转移过程中也具有类似于DMF的作用；c)在CuCl和DMF的共同催化下可以选择性合成环烯基醚。然而用高价态的CuCl2取代CuCl后,却失去了选择性,只能得到等产率的P1和P2两种产物。我们的实验结果很好地再现了实验现象。我们的理论计算表示具有路易斯碱性质的溶剂(如DMF和MeOH)在过渡金属催化反应中可以促进氢转移过程的进行。此外,我们的理论计算还有助于我们对Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)催化反应进行深入的理解,并对新催化剂和新反应的设计提供了理论指导。2. CuBr催化2-(1-炔基)-2-烯基-1-酮合成高取代呋喃机理的理论研究采用密度泛函理论(BhandHLYP)方法,对CuBr催化2-(1-炔基)-2-烯基-1-酮和亲核试剂MeOH反应合成高取代呋喃的机理进行详细的研究。我们的计算结果证实由金属催化剂CuBr和溶剂DMF组合而成的催化体系可以高效地催化高取代呋喃的合成。我们的理论计算还详细地阐述了以下两个重要的问题：a)金属催化剂CuBr在分子内环化加成中起着至关重要的作用,它可以大大降低环化加成的活化能使得反应可以顺利进行；b)溶剂DMF在两步氢转移过程中可以作为shuttle协助质子转移,并可以大大降低氢转移过程的活化能。因此,它在氢转移过程中也起着非常重要的作用。另外,我们的理论计算还预测到当用高价态的CuBr2取代CuBr催化反应时,整个合成过程的决速能垒可以降低7.4kJ/mol。这就表明CuBr2更能促进反应的进行,并可以得到更高的产率。总之,理论研究CuBr和MeOH在高取代呋喃合成中的作用时发现,金属催化剂可以与溶剂组合成新的催化体系,并对含氢转移过程的金属催化反应有着高效的催化作用。此外,我们的理论计算还有助于我们对有关于铜的催化反应进行更深入的理解,并对新催化剂和新催化剂的设计提供了理论指导。3. CuBr催化N-(o-炔基苯基)亚胺合成环化吲哚的机理：催化剂CuBr和溶剂DMF的作用采用密度泛函理论的BhandHLYP泛函对CuBr催化N-(o-炔基苯基)亚胺合成环化吲哚的机理进行理论研究。计算结果表明在最优的反应路径中主要包括两个反应过程,C2和N1间的分子内环化加成过程和DMF两次协助H转移过程。在分子内环化加成过程中(C-N成键过程),金属催化剂起着重要的作用,由于它的存在才使得这一环化过程得以实现。另外,我们的计算还发现溶剂DMF分子在包含O1和C4环化加成的两步氢转移过程中也起着至关重要的作用。它们可以作为shuttle去协助质子H1从O1向C1转移。这就意味着具有路易斯碱性质的溶剂与过渡金属催化剂在反应中可以组成新的催化剂系,它可以更有效地促进反应的进行。

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目录  3-5
摘要  5-7
Abstract  7-10
第一节选题背景  10-21
  1.1 过渡金属铜催化概述  10-13
    1.1.1 Cu(Ⅰ)催化剂在有机反应中的应用  10-12
    1.1.2 Cu(Ⅱ)催化剂在有机反应中的应用  12-13
  1.2 溶剂对反应影响的概述  13-19
    1.2.1 溶剂化对反应的影响  14-17
    1.2.2 溶剂作为助催化剂参与并协助反应进行  17-19
  1.3 本论文主要研究的问题  19-20
  参考文献  20-21
第二节理论基础  21-27
  2.1 密度泛函理论  21-24
    2.1.1 密度泛函理论的基本原理  21-23
    2.1.2 基组的选择  23-24
  2.2 PCM溶剂化模型  24-26
  参考文献  26-27
第三节 Cu(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)催化环化O-炔基苯甲醛反应机理的密度泛函研究：各关键因素对反应机理的影响  27-47
  3.1 引言  27-28
  3.2 计算模型和计算方法  28
  3.3 结果与讨论  28-42
    3.3.1 溶剂DMF的作用  29-36
    3.3.2 金属铜的价态对选择性的影响  36-41
    3.3.3 金属催化剂在反应中的作用  41-42
  3.4 结论  42-44
  参考文献  44-47
第四节 CuBr催化2-(1-炔基)-2-烯基-1-酮合成高取代呋喃机理的理论研究  47-65
  4.1 引言  47-48
  4.2 计算模型和计算方法  48
  4.3 结果与讨论  48-59
    4.3.1 溶剂DMF的作用  48-55
    4.3.2 金属催化剂在反应中的作用  55-57
    4.3.3 金属Cu价态对反应产率的影响  57-59
  4.4 结论  59-61
  参考文献  61-65
第五节 CuBr催化N-(o-炔基苯基)亚胺合成环化吲哚的机理：催化剂CuBr和溶剂DMF的作用  65-77
  5.1 引言  65
  5.2 计算模型和计算方法  65-66
  5.3 结果与讨论  66-73
    5.3.1 无金属催化剂CuBr参与下的反应机理  66-67
    5.3.2 无助催化剂DMF参与合成环化吲哚的反应机理  67-71
    5.3.3 DMF的促进作用  71-73
  5.4 结论  73-75
  参考文献  75-77
附录硕士期间已完成的论文  77-78
致谢  78

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