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金属有机铼配合物催化环氧化合物理论研究

作　者: 王家勇
导　师: 毕思玮
学　校: 曲阜师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 密度泛函理论(DFT) 反应机理催化循环过渡金属铼配合物生物质环氧化合物环碳酸酯炔烃双聚
分类号: O643.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本论文在实验的基础上,我们用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,研究了以下三个方面的问题。我们的主要目的是研究下面所提到的金属有机化合物参与反应的反应机理和各个化合物的结构及成键特征。(1)在2009年,Abu-Omar及其合作者报道了用MeReO3 (缩写为MTO)为催化剂,用H2还原环氧化合物及双醇,使其脱氧脱水得到烯烃,并给出了H2先与催化剂MTO作用的反应机理。通过理论计算发现,第一步H2通过[2+3]机理与MTO作用不管是在热力学上还是动力学上都是不可行的。在本论文中,我们利用密度泛函理论(DFT)计算得出了较为合理的与Abu-Omar及其合作者提出的不同的反应机理。1)环氧化合物与催化剂MTO首先反应得到含金属五元环中间体2;2)H2以[2+3]方式进攻中间体2得到双羟基化合物中间体4;3)中间体4经过质子转移得到有水分子配位的含金属五元环中间体6;4)最后一步,直接从中间体6脱出产物烯烃,并伴随催化剂MTO再生,催化循环反应结束。在反应的开始有大量的双醇生成,是由于主反应生成的副产物水与中间体2作用,并且存在两个互相竞争的路径,通过理论计算发现,双醇的生成及双醇再转化为中间体2是一个快速的可逆过程,又从中间体2到产物烯烃是一个不可逆过程,随着时间的推移,生成的双醇最终全部转化为烯烃。同时也解释了双醇作为反应物时得到烯烃的反应机理,1)双醇与催化剂MTO反应,经过质子转移得到含金属五元环中间体2;2)H2以[2+3]方式进攻中间体2得到双羟基化合物中间体4;3)中间体4经过质子转移得到有水分子配位的含金属五元环中间体6;4)最后一步,直接从中间体6脱出产物烯烃,并伴随催化剂MTO再生,催化循环反应结束。本论文中提出的反应机理很好的验证了Abu-Omar及其合作者实验现象。(2)2005年,Jiang及其合作者首次利用五羰基铼化合物Re(CO)5Br或者CpRe(CO)3作为催化剂催化环氧化合物与CO2耦合反应合成环碳酸酯,反应在无溶剂高温条件下,产率最高能达到97%。Jiang及其合作者给出他们设想的可能机理,指出该反应机理可能类似于Ni催化剂作用机理。在2010年,Guo及其合作者依托Jiang及其合作者的实验利用密度泛函理论(DFT)研究了五羰基铼化合物Re(CO)5Br作为催化剂催化环氧化合物与CO2耦合反应合成环碳酸酯的反应机理。提出了Ⅰ和Ⅱ两种不同的反应机理,机理Ⅰ第一步是环氧化合物与催化剂Re(CO)5Br作用,而机理Ⅱ是催化剂首先活化CO2,通过理论计算,Guo及其合作者得出结论认为机理Ⅰ为可能的反应机理。我们认为,Guo及其合作者提出的机理Ⅰ总的反应势垒太高,可能不是真正的反应机理,在此基础上,我们利用同样的方法(DFT理论)研究了五羰基铼化合物Re(CO)5Br作为催化剂催化环氧化合物与CO2耦合反应合成环碳酸酯的反应机理,得出了其真正的反应机理V-b,即第一步,催化剂Re(CO)5Br脱去一个羰基得到一个16e的活性中间体Re(CO)4Br;第二步,环氧化合物配位到金属铼上,形成18e中间体2″；第三步,环氧化合物中C上有-CH2Cl取代基的C-O键与Re-Br键之间以[2σ+2σ]方式相互作用,形成一个5元环中间体a′；第四步,逐渐拉开Re-Br键形成16e中间体,使得C02可以进攻金属铼；第五步,C02插入到Re-O键之间,形成一个4元环中间体c′;第六步,断开Re←O配位键,使Br原子逐渐靠近金属中心得到中间体f；第七步,还原消除,形成C-O键同时伴随Br原子回到金属中心Re上,得到产物环碳酸酯与金属Re配位的中间体g′;最后一步产物环碳酸酯脱出同时伴随催化剂]Re(CO)4Br再生。总的来说,该反应机理包括三个过程,即环氧化合物氧化加成,C02插入,还原消除得到产物。值得注意的是,Br原子在此起到了很大作用。同时,我们还研究了CpRe(CO)3作为催化剂催化环氧化合物与C02耦合反应合成环碳酸酯的反应机理,找出了三种可能的反应机理Ⅰ′、Ⅱ′及Ⅲ′,最终分析得出机理Ⅲ′为其真实的反应机理,即第一步,催化剂CpRe(CO)3脱去一个羰基得到一个16e的活性中间体CpRe(CO)2;第二步,环氧化合物1配位到(CPRe(CO)2上得到中间体h；第三步,环氧化合物与CpRe(CO)2发生相互作用断开C上有-CH2Cl取代基的C-O键生成一个含金属的4元环中间体i;第四步,C02直接插入到Re-O键之间得到一个6元环中间体n′;第五步,中间体n′异构化得到中间体n；第六步,还原消除得到产物环碳酸酯与金属Re配位的中间体o;最后一步,得到产物并伴随催化剂CpRe(CO)2再生。(3)在Templeton实验(West, N. M.; et al. Organometallics 2008,27,5252)的基础上利用密度泛函理论,研究了(Cl-nacnac)Pt(H) (Cl-nacnac=bis(N-ary)-β-diiminate)与端炔的主、副反应机理。研究表明,叔丁基乙炔以1,2-方式插入到Pt—H键之间生成主产物,C一C键生成为决速步骤；以2,1-方式插入到Pt—H键之间生成副产物,炔烃插入为决速步骤。基于主副反应机理,合理的解释了主、副产物生成的原因。分析表明,主产物是热力学控制的产物,而副产物是动力学控制的产物。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章前言  9-22
  1.1 引言  9-14
  1.2 论文主要内容  14-16
  参考文献  16-22
第二章理论计算化学在金属有机化学中的应用  22-26
  2.1 计算化学简介  22
  2.2 计算方法简介  22-23
  2.3 计算化学在金属有机化学中的应用  23-24
  参考文献  24-26
第三章 MeRe03催化环氧化合物及双醇脱氧过程理论研究  26-47
  3.1 引言  26-27
  3.2 计算方法  27
  3.3 结果与讨论  27-43
    3.3.1 氢气加成到催化剂MTO上  27-32
    3.3.2 环氧化合物在MTO催化下与H_2可能的反应机理  32-43
      3.3.2.1 环氧化合物以[2σ+2π]方式加成到MTO上  32-33
      3.3.2.2 H_2与中间体2反应  33-35
      3.3.2.3 生成副产物水  35-36
      3.3.2.4 生成最终产物苯乙烯  36-39
      3.3.2.5 生成双醇中间产物  39-40
      3.3.2.6 生成的中间产物双醇转化为产物苯乙烯  40-43
  3.4 结论  43-44
  参考文献  44-47
第四章过渡金属Re配合物催化环氧化合物与CO_2耦合反应的理论研究  47-81
  4.1 引言  47-49
  4.2 计算方法  49-50
  4.3 结果与讨论  50-75
    4.3.1 前人研究以Re(CO)_5Br作为催化剂的反应机理  50-55
    4.3.2 本文提出新的以Re(CO)_5Br作为催化剂的反应机理  55-66
      4.3.2.1 反应机理Ⅲ  55-56
      4.3.2.2 反应机理Ⅳ  56-60
      4.3.2.3 反应机理Ⅴ-a  60-63
      4.3.2.4 反应机理Ⅴ-b  63-66
    4.3.3 以CpRe(CO)_3作为催化剂的反应机理  66-75
      4.3.3.1 反应机理Ⅰ'  66-70
      4.3.3.2 反应机理Ⅱ'  70-72
      4.3.3.3 反应机理Ⅲ'  72-75
  4.4 结论  75-77
  参考文献  77-81
第五章 (Cl-nacnac)Pt(H)与端炔的反应机理  81-94
  5.1 引言  81-82
  5.2 计算方法  82-83
  5.3 结果与讨论  83-88
    5.3.1 生成主产物(P)的反应机理  83-85
    5.3.2 生成副产物(by-P)的反应机理  85-87
    5.3.3 生成主产物及副产物反应机理分析  87-88
  5.4 结论  88-89
  参考文献  89-94
第六章论文总结与展望  94-96
  6.1 论文总结  94-95
  6.2 后续工作及展望  95-96
硕士期间发表学术论文  96-97
致谢  97

金属有机铼配合物催化环氧化合物理论研究

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