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硅烯插入反应中的立体电子效应研究

作　者: 金娟
导　师: 邱化玉
学　校: 杭州师范大学
专　业: 有机化学
关键词: 硅烯插入反应立体电子效应量子化学密度泛函
分类号: O627.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文分别以三种不同的硅烯(1-3, Scheme 1)与含不同取代基的氯硅烷及硅烷发生插入反应为理论研究模型,系统地研究了它们分别发生Si-Cl及Si-H插入反应的机理、两种反应类型的区别及影响反应速率和选择性的主要因素,旨在探讨硅烯与不同硅烷发生插入反应的反应机制,同时还系统的研究了硅烯与卤硅烷发生Si-X(X=F,Cl,Br)插入反应的相对活性,同时以硅烯4与不同硅烷的反应通过实验对理论结果进行了验证。本文所采用的主要研究方法为：采用量子化学的密度泛涵理论(B3LYP),利用Gaussian98/03程序,以6-31++G(d,p)为基组对反应势能面上各驻点的构型进行了全参数优化。主要研究包括：1.通过对二甲基硅烯与一氯硅烷发生Si-Cl插入反应机理的研究表明,该插入反应经协同机理通过一种三元环的过渡态得到最终产物。同时尤其值得我们关注的是在研究中发现硅烯插入反应的活性大小与硅烷的取代基具有明显的立体电子效应关系。在过渡态中,硅烷上的取代基有两种类型,一种与三元环过渡态处于同一平面,主要表现为电子效应。研究发现吸电子效应的取代基能大大提高反应活性,而供电子的取代基则会降低反应活性；另一种则与三元环处于非同一平面,主要表现为位阻效应。研究发现,大位阻的取代基会降低硅烯的Si-Cl及Si-H插入反应的活性,但对Si-Cl插入反应的影响大于Si-H插入反应。比较电子效应和位阻效应的影响,发现电子效应的影响因素要大于位阻效应。2.考察硅烯上的取代基对插入反应的影响。通过采用含不同位阻的硅烯(硅烯1-3)及含不同电负性取代基的硅烯分别与HsSiCl和H3SiH经较优反应途径发生Si-Cl及Si-H插入反应的研究表明,硅烯上的位阻同样会降低插入反应活性,但与硅烷上的位阻效应所不同的是,硅烯的位阻效应对Si-Cl及Si-H插入反应的影响相当,而硅烷的位阻效应对两种反应的影响则是不对等的,它对Si-Cl插入反应的影响大于Si-H插入反应。同时与硅烷上取代基的电子效应所不同的是硅烯上的吸电子基团反而会弱化反应的活性,使反应不容易进行。3.考察硅烯与卤硅烷发生Si-X插入反应的活性。通过二甲基硅烯与一系列卤硅烷发生Si-X(X=F,Cl,Br)插入反应的研究,发现Si-Br插入反应的活化能要明显小于其他的Si-X插入,对于同一个硅烷同时含有Si-F,Si-Br,Si-C1键时,优先发生Si-Br插入。4.有针对性的设计一些验证性实验,以2,2,5,5-四(三甲基硅烷基)环戊硅烯与不同的氯硅烷作用,根据反应所得的产物对理论计算结果中硅烷取代基的立体电子效应对硅烯插入反应的影响进行了验证。本研究初步建立了关于硅烯与硅烷发生Si-H和Si-X插入反应的一系列新的反应机制,对实验现象做出了合理的解释,同时对理论计算结果用实验加以了初步验证。其研究成果不但为理论工作者进一步研究此课题提供理论依据,而且为实验工作者有效地开发和利用硅烯插入反应来合成在材料、药物合成等科学领域具有重要应用价值的新的有机硅化合物和聚合物提供了系统的理论依据。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪言  9-18
  1.1 量子化学发展背景及意义  9-10
  1.2 理论简介  10-14
    1.2.1 Schrodinger方程  10-11
    1.2.2 Hartree-Fork理论  11-13
    1.2.3 Post-SCF方法  13
    1.2.4 密度泛函DFT理论  13-14
  1.3 课题研究背景及意义  14-17
  1.4 课题研究的目的  17-18
第二章硅烯与Si-X插入反应中的立体电子效应  18-46
  2.1 硅烯与硅烷插入反应途径的选择  18-23
    2.1.1 协同机理  18-22
    2.1.2 自由基机理  22-23
  2.2 硅烷上的取代基对反应活性的影响  23-35
    2.2.1 硅烷上的取代基的电子效应对反应活性的影响  23-29
    2.2.2 硅烷上的取代基的位阻效应对反应活性的影响  29-32
    2.2.3 硅烷上的取代基的电子效应与位阻效应的综合考查  32-33
    2.2.4 对实验中观察到的氯硅烷选择性发生Si-H和Si-Cl反应的理论解释  33-35
  2.3 硅烯上的取代基对反应活性的影响  35-42
    2.3.1 硅烯上的取代基的电子效应对反应活性的影响  36-40
    2.3.2 硅烯上的取代基的位阻效应对反应活性的影响  40-42
  2.4 硅烯Si-X插入反应中的立体电子效应  42-45
    2.4.1 硅烯与Si-X插入反应活性的简单比较  42-44
    2.4.2 硅烯与Si-X插入反应的选择性  44-45
  2.5 本章小结  45-46
第三章立体电子效应对硅烯插入反应选择性的影响  46-52
  3.1 理论计算部分  46-47
  3.2 实验部分  47-50
    3.2.1 四-(2,2,5,5)三甲基硅基环戊硅烯的合成  48
    3.2.2 硅烯与三氯硅烷的反应  48-49
    3.2.3 硅烯与甲基二氯硅烷的反应  49
    3.2.4 硅烯与二苯基氯硅烷的反应  49-50
    3.2.5 硅烯与二苯基二氯及苯基三氯硅烷的反应  50
  3.3 实验结果与理论计算结果的简单比较  50-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章总结与展望  52-53
参考文献  53-58
致谢  58

硅烯插入反应中的立体电子效应研究

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