NHC催化烯酮和碳氧雙鍵[2+2]環(huán)加成反應形成β-內酯的理論研究.pdf

1、有機雜環(huán)小分子β-內酯，不僅是合成可生物降解聚合物等復雜分子的原料，還是一系列有顯著藥理學活性的天然產品的核心結構，因此β-內酯的合成及應用吸引了越來越多研究人員的關注。在實驗室中大量的β-內酯被合成并作為反應中間體應用于材料科學和有機合成等領域。通常情況下，β-內酯主要是從烯酮類化合物和含碳氧雙鍵化合物的[2+2]環(huán)加成反應中得到。由于[2+2]環(huán)加成的合成方法在有機化學中有著廣泛應用，烯酮類化合物的[2+2]環(huán)加成反應同樣也受到計算

2、化學領域的廣泛關注和深入研究。
　　在本論文中，我們研究了芳基烷基乙烯酮和碳氧雙鍵的醛類化合物在N-雜環(huán)卡賓(NHC)催化下的[2+2]環(huán)加成反應生成β-內酯的反應機理及立體選擇性。我們對可能的反應機理用密度泛函理論(DFT)進行了研究。所有的反應物、過渡態(tài)、中間體及產物的幾何構型都是在甲苯溶劑（IEFPCM溶劑化模型）中和M06-2X/6-31G(d，p)水平下進行優(yōu)化的，并在相同水平下對所有構型進行了頻率計算。隨后，我們用在上

3、述水平優(yōu)化好的結構在M06-2X/6-311+G(d，p)水平下進行了單點能校正，本論文中所用的能量為M06-2X/6-311+G(d，p)水平下的單點能和M06-2X/6-31G(d，p)水平下的零點能矯正值之和。
　　我們選取芳基烷基乙烯酮和缺電子的2-硝基苯甲醛作為計算模型設計和研究了兩種不同的反應機理（反應機理A和B）。通過對計算結果的研究和比較，我們發(fā)現(xiàn)反應機理A較占優(yōu)勢。反應機理A包括三個步驟:首先是NHC親核進攻芳基

4、烷基乙烯酮形成烯醇兩性離子中間體，第二步是兩性離子中間體和缺電子的2-硝基苯甲醛進行[2+2]環(huán)加成反應形成中間體，最后是NHC從中間體上脫去重新進入循環(huán)反應，與此同時得到產物p-內酯。值得注意的是，反應機理A的[2+2]環(huán)加成反應這一步，形成了兩個手性碳原子（C3和C4）由此得到4種不同構型的中間體(SS，RR,SR&RS)。同樣，這一步還是整個反應的決速步和立體選擇性決定步驟，其反應能壘分別為15.88/19.68/13.58/17

5、.07kcal/mol(SS，RR,SR&RS)。經過計算與對比，我們發(fā)現(xiàn)得到SR構型的反應路徑是能量最占優(yōu)勢的反應路徑，同時這與實驗得到的SR構型是產物主要構型的結果相符。
　　反應機理B同樣包括三個步驟:首先，NHC和缺電子的2-硝基苯甲醛結合形成中間體，其次，中間體上的O5原子和芳基烷基乙烯酮上的C2原子形成單鍵，最后在中間體上發(fā)生SN2親核取代反應，經由過渡態(tài)得到分離的β-內酯和NHC，在這一步中，C4和C3形成單鍵的同時

6、C1-C2鍵斷裂，從而使催化劑NHC從中間體中脫去，并得到產物β-內酯。反應機理B中，第三步反應能壘分別為32.23/29.69/28.45/27.06kcal/mol(SS，RR,SR&RS)，遠遠高于反應的第一步和第二步，因此我們認為這一步是反應機理B的決速步，同時這一步的反應能壘也遠高于機理A決速步的反應能壘，由此我們可知反應機理A比機理B在能量上更占優(yōu)勢。全局反應指標的分析也很好的闡述了催化劑NHC在[2+2]環(huán)加成反應中所起的