酸度導向的不對稱有機催化研究.pdf

1、酸-堿化學是人們研究最為深入的化學領域之一，廣義上講幾乎所有的化學反應都可以看做酸-堿反應。Br(o)nsted酸-堿化學是質子轉移的化學，最重要的一個熱力學參數(shù)就是平衡酸度（pKa）。pKa定量描述了化合物得失質子的能力，能夠聯(lián)系熱力學和動力學。在近代化學史上，特別是化學理論的建立上取得了一系列矚目成果。在當代不對稱催化領域，pKa又展現(xiàn)了其獨特的魅力，在研究酸堿催化機理、新型催化劑設計、新催化反應開發(fā)、立體選擇性來源等方面持續(xù)發(fā)揮著

2、作用，使這一概念愈久彌新。量子化學的興起，為化學研究注入了新的活力，在化合物熱動力學性質預測、復雜化學反應機制闡釋、過渡態(tài)研究等領域大顯身手。有機小分子不對稱催化，特別是有機Br(o)nsted酸催化，是近十年來的熱門研究領域之一，一直受到化學工作者的青睞。目前對有機Br(o)nsted酸催化反應的研究多注重于應用，即發(fā)展多種多樣的不對稱酸催化反應，而針對反應規(guī)律性的研究很少，不能形成具有指導意義的規(guī)律或理論。物理有機化學作為有機化學的

3、理論科學，關注的是化學現(xiàn)象背后的本質，注重從實際問題中提煉出一般規(guī)律。
　　本文從物理有機化學角度研究Br(o)nsted酸不對稱催化問題，以pKa為參數(shù)，以計算化學和實驗化學為手段，開展催化劑酸度、底物酸度對催化反應活性-選擇性影響的研究，具體包括手性磷酸催化劑酸度研究、基于酸度的手性催化劑設計和基于底物酸度的不對稱催化反應設計三個方面。
　　一是通過理論計算研究了不同類型手性磷酸催化劑的平衡酸度，建立了在二甲基亞砜(DM

4、SO)溶液中高精度計算氧酸(O-H)pKa的方法(SMD/M06-2X/6-311++G(2df,2p)//B3 LYP/6-31+G(d))，利用該方法預測了41種手性磷酸催化劑的酸度，建立了首個不同類型手性磷酸催化劑的酸度標度，并初步嘗試利用催化劑酸度去解釋反應的活性與立體選擇性，為今后利用酸度設計新型催化反應奠定了基礎。
　　二是將建立的理論預測氧酸(O-H) pKa的方法，推廣到氮酸(N-H) pKa的計算，同時發(fā)現(xiàn)該方法

5、也適用于乙腈(AN)中氮酸、氧酸pKa的計算。利用該方法計算得到了更多常見類型有機酸催化劑的酸度，在DMSO中建立了更大范圍的手性催化劑酸度標度，利用該標度討論了調控催化劑酸度來設計新型Br(o)nsted催化劑的策略，并預測出相應催化劑的酸度數(shù)據(jù)，使人們對各種類型的酸催化劑的酸強度的認識上升至定量階段。同時在更大酸度范圍內研究了催化劑酸度對催化反應的影響，揭示了催化劑酸度在催化反應活性、選擇性中的重要作用。
　　三是從底物的酸度

6、出發(fā)，基于以下事實設計了有機堿催化的不對稱反應，用于合成光學活性的螺環(huán)苯并呋喃酮類化合物:(1)苯并呋喃酮3位氫的酸度數(shù)據(jù)(13.5)，與乙?；?Ac)保護的吲哚酮3位氫酸度(13.5)相當，而強于硝基甲烷(17.2)的酸度;(2)乙酯基保護的吲哚酮可以與二烯酮反應合成螺環(huán)吲哚酮化合物;(3)硝基甲烷與二烯酮可以發(fā)生一步加成反應，之后在強堿的作用下可以繼續(xù)反應生成環(huán)己酮化合物。該新設計的催化反應，反應產率高達99％，非對映選擇性高達19