镍配合物催化N-烯丙基酰胺异构化反应机理

采用密度泛函理论(DFT)方法,对镍配合物Ni(PPh3)2催化N-烯丙基酰胺异构化生成N-丙烯基酰胺的微观反应机理进行了计算.反应涉及了C—H键活化、异构化及还原消除生成新的C—H键等步骤.对C—H键活化和异构化步骤,分别考虑了Ni(PPh_3)_2和Ni(PPh_3)的催化活性,发现均为前者对应的能垒更低;对异构化步骤,分别考虑了π-烯丙基和σ-烯丙基机理,发现前者能垒更低.在整个反应路径中,生成产物E异构体的决速能垒为141.8 kJ/mol,与生成Z异构体的决速能垒(141.1 kJ/mol)仅差0.7 kJ/mol,与实验上E/Z选择性不高(56/44)一致.Pd(PPh_3)_2催化的决速中间体和过渡态的计算表明,生成E和Z异构体的决速能垒较高,均超过175 kJ/mol,与实验上Pd(PPh_3)_4没有催化活性一致.Ni(PPh_3)_2和Pd(PPh_3)_2催化活性不同,可由Ni的d电子对烯丙基阴离子π*反键的反馈作用较Pd更强来解释.此外,通过反应物中不同取代基对产物E/Z选择性影响的分析,发现E/Z选择性不同是由各取代基在生成E和Z异构体的决速过渡态中所受空间位阻不同所导致.     

烯胺酮α-官能团化反应的研究进展

烯胺酮是一类非常重要的有机合成砌块,具有易获得、储存方便、反应多样性等优点.更重要的是,烯胺酮是许多杂环化合物的重要前体.最近,通过C—H活化对烯胺酮进行过渡金属催化或无过渡金属的α-官能团化反应已成为构建官能化烯胺酮或杂环化合物的一种更为原子和步骤经济的策略,并引起了许多有机化学家的关注.根据成键类型,该综述分为五个部分:C—C键的形成、C—O键的形成、C—N键的形成和C—X键的形成以及C—S/C—Se键的形成.主要对烯胺酮α位官能团化反应进行了综述,从反应机理、反应体系、底物范围等角度系统地综述了烯胺酮α位官能团化反应的进展.     

HNNO_2自身氢迁移及异构化机理的理论研究

采用CBS-QB3方法对二硝酰胺酸(HDN)裂解过程中的HNNO2自由基自身氢迁移及N—N键断裂异构化反应机理进行了研究.结果表明,HNNO2自由基自身氢迁移反应经历了N(4)—O(2)间的氢迁移、O(2)—O(3)间的氢迁移及内转化3个不同类型的基元反应,最终生成N2O分子与OH自由基.其中N(4)—O(2)间的氢迁移为HNNO2自由基自身氢迁移反应中的速率决定步.HNNO2自由基通过N(1)—N(4)键断裂以及O(2)—N(4)键形成异构化成产物NO+HNO,该过程的能垒为176.17kJ·mol-1,比氢迁移通道决速步能垒高出了47.59kJ·mol-1,表明氢迁移通道为HNNO2裂解过程中的优势通道.     

铑(Ⅰ)催化烯烃碳酰化反应机理:手性聚稠环过程的对映选择性

采用密度泛函理论方法研究了[Rh(R,R-DIOP)]+[DIOP=(1R,2R)-1,2-O-异丙叉-1,2-二醚氧基-1,2-双(二苯基磷基)乙烷]催化下苯并环丁酮手性聚稠环过程在气相、四氢乙呋喃(THF)及水中的反应机理.计算结果表明,在气相中反应容易进行,经TS2形成六元环的过程为决速步骤,但产物无明显的对映选择性.在THF中,S-和R-通道的C—C键活化能垒仅由79.5和69.3 kJ/mol提高到80.2和88.8 kJ/mol,未改变反应的实质;Rh与2个C原子的配位明显弱于气相,相对于催化剂和反应物自由能之和,S-和R-通道的反应总能垒分别提高到63.8和68.1 kJ/mol.对于S-通道,溶剂THF使经TS2的能垒升至112.0 kJ/mol,仍为整个过程的决速步骤;然而对R-通道,溶剂使经TS1形成五元环过程的能垒升至91.5 kJ/mol,但使经TS2的能垒由78.9 kJ/mol降至77.7 kJ/mol,IM1→TS1成为决速步骤.在以水为溶剂时,经TS1形成五元环的过程成为2个通道的决速步骤,其在S-和R-通道中的能垒分别为102.5和94.9 kJ/mol.因此,溶剂改变了反应的决速步骤及能垒.3种方法均预测R-通道为主反应路径,但THF能明显增加产物的对映选择性.采用自然键轨道(NBO)电荷分析了反应过程中电荷的变化.     

钯催化氧化N—H键羰基化反应合成1,3,4⁃噁二唑⁃2(3H)⁃酮杂环化合物机理的理论研究

通过密度泛函理论(DFT)研究了钯催化氧化N—H键羰基化反应合成1,3,4-噁二唑-2(3H)-酮杂环化合物的反应机理. 计算结果表明, 这一反应的催化循环包含N1—H活化、 羰基插入、 N2—H活化和还原消除4个阶段. 反应首先通过协同金属化/去质子化机理活化N1—H键, 然后羰基插入Pd—N1键生成稳定的六元金属环中间体, 随后通过一步反应直接发生N2—H键活化, 最后还原消除. 其中, 羰基插入是整个催化循环的决速步骤, 能垒为102.0 kJ/mol. 研究了配体效应和取代基效应, 其结果与已有的实验结果一致.     

人工设计逆醛缩酶RA95.5-8F催化β-羟基酮C—C裂解的理论研究

采用量子力学与分子力学组合(QM/MM)方法对人工设计逆醛缩酶RA95.5-8F催化β-羟基酮化合物裂解反应的机理进行了研究. 结果表明, 裂解反应主要包括赖氨酸Lys1083对底物的亲核进攻、 Schiff碱形成、 烯胺水解及C—N断裂等过程, C—N键裂解生成丙酮为整个反应的决速步骤, 能垒为106.27 kJ/mol; 活性中心的赖氨酸Lys1083、 酪氨酸Tyr1051、 天冬酰胺Asn1110和酪氨酸Tyr1180构成一个催化四联体, Lys1083通过与底物形成席夫碱对底物进行活化, Tyr1051作为催化酸碱参与质子转移过程, 催化四联体的氢键网络有利于反应过渡态的稳定并使R-构型的底物更容易结合在活性位点, 导致RA95.5-8F对R构型底物具有高的选择性和催化活性.     

硝基甲烷异构化反应势能面的ab initio研究

在B3LYP/6-311+ +G(2d,2p)水平上,优化得到硝基甲烷CH3NO2的10种异构体和23个异构化反应过渡态,并用G2MP2方法进行了单点能计算.根据计算得到的G2MP2相对能量,探讨了CH3NO2势能面上异构化反应的微观机理.研究表明,反应初始阶段的CH3NO2异构化过程具有较高的能垒,其中CH3NO2的两个主要异构化反应通道,即CH3NO2→CH3ONO和CH3NO2→CH2N(O)OH的活化能分别为270.3和267.8 kJ/mol,均高于CH3NO2的C-N键离解能.因而,从动力学角度考虑, CH3NO2的异构化反应较为不利.     

镍催化氮杂环丁酮和丁二烯环加成反应机制的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法对镍催化1-Boc-3-氮杂环丁酮和2,3-二甲基-1,3-丁二烯的环加成反应进行了理论研究. 计算结果表明, 该反应采用氧化加成机制而非实验推测的β-碳消除机制. 氧化加成机制主要由3个基元反应步骤组成, 分别为氮杂环丁酮底物中C—C(=O)键的氧化加成、 二烯顺式插入Ni—C(=O)键、 以及还原消除生成八元氮杂环产物, 其中烯烃插入是整个反应的决速步骤, 反应能垒为86.74 kJ/mol. 通过探讨烯烃分别插入到Ni—C(=O) 键和Ni—C(sp³) 键的2种反应途径分析了烯烃插入步骤的区域选择性, 得到了与实验数据基本一致的结果.     

α-羟基化吡咯烷亚硝胺代谢及形成DNA加合物反应机理的理论研究

采用密度泛函理论, 在B3LYP/6-31G**水平上, 研究了气相和水溶剂中, α-羟基化吡咯烷亚硝胺(α-hydroxylation-NPYR, A)代谢为终致癌物重氮氢氧化物(B)、重氮烷阳离子(C)和氧离子(D), 以及C与鸟嘌呤碱基相互作用的反应机理. 化合物A代谢为终致癌物, 涉及异构化和质子化过程, 是相对容易进行的放热反应. 终致癌物C与鸟嘌呤在N7位形成DNA加合物F和G的反应, 遵循S_N2机理. 加合物G由F异构形成, 且有相对高的异构化能(气相: 244.77 kJ/mol; 水溶剂中: 234.83 kJ/mol), 这与实验上得到加合物G是主要癌变物的结果一致.     

活性钌、锇-配体多重键配合物研究进展

金属一配体多重键配合物的反应性研究有助人们深入理解许多重要的金属催化过程,如生物体系中的氧化和固氮及有机合成中的金属催化原子或基团转移反应．含Os=N多重键的锇（VI）氮合物在还原剂存在下发生氮偶合反应生成双核氮分子桥连配合物,为与固氮机理有关的金属氮合物氮偶合反应提供实验证据．一系列具有可调结构和氧化性含M=O,M=NR,M=CR^1R^2（M=Ru,Os）多重键的活性钌／锇氧合物,钌亚胺基配合物,钌／锇卡宾配合物（包括手性配合物）已被成功分离,其结构已通过光谱手段和x射线单晶衍射确定．这些活性金属一配体多重键配合物分别能与有机化合物发生氧原子、亚胺基、卡宾转移反应,包括烯烃环氧化、环氮化、环丙烷化、cis双羟基化,c—H键羟基化、酰胺化、卡宾插入等,从而允许直接研究相应催化过程中金属．配体多重键中间体的原子或基团转移反应,为金属催化原子或基团转移反应（包括不对称催化反应）提供重要机理信息．已发展出一系列涉及钌．配体多重键活性物种的高选择性钌催化反应,包括2,6-Cl2pyNO与烯烃的环氧化和Wacker型氧化成醛,H2O2水溶液氧化烯、炔烃和醇为羧酸或cis-二醇,PhI=NR与饱和c—H键的酰胺化,重氮化合物的卡宾偶合,分子内卡宾插入c—H键,重氮化合物、亚胺、烯／炔烃的三组分偶合,及以“PhI（OAc）2＋RNH2”为氮源的金属催化C—N键形成反应等．