铜催化炔丙基乙酸酯与肼反应的机理研究

发布时间：2019-07-16 09:55

【摘要】：过渡金属催化C H官能化反应是选择性构筑C N键的有效合成方法,由此获得的2 吡唑啉类化合物不仅可以应用于生物、农业、染料和有机电致发光中,而且还是一些抗病毒、抗癌、抗菌等药物中的重要组成成分。在过去几十年里,许多贵金属Pt、Rh、Ru、Au等催化剂催化的C H官能化反应得到了很大的发展,但使用成本高,不易回收限制了其应用。铜易与具有优良性能的配体形成化学选择性高、廉价、环保的新型催化剂引起了人们的广泛关注。与传统方法相比,铜催化炔丙基乙酸酯肼化反应具有底物简单且范围宽,条件温和,产物的对映选择性(94%ee值)高等特点。本文采用密度泛函理论B3LYP方法研究了Cu催化炔丙基乙酸酯与肼反应的详细反应机理,重点阐述了反应过程的能量变化以及一系列中间体和过渡态的形成,获得了反应进行的最优路径,为催化剂的发展以及实验研究提供了一定的理论基础。主要的研究内容和结论如下:首先,活性催化剂CuL对炔丙基乙酸酯进行活化,经历一系列氢转移中间体以及乙酸还原消除形成关键中间体累烯基铜。本文通过比较乙酸还原消除的三条不同反应路径,即无溶剂分子参与反应路径ⅠA,N(CH_3)_3分子参与的反应路径ⅠB,以及MeOH溶剂分子辅助的反应路径ⅠC。计算结果表明,MeOH分子的参与(反应路径ⅠC)可以将有效反应能垒降低5.92 kcal/mol(18.81 vs 24.73 kcal/mol),以催化剂CuL为零点参考。相比之下,N(CH_3)_3参与(反应路径ⅠB)能使反应活化能降低更多,为13.33 kcal/mol,以催化剂Cu L为零点参考。其次,对于单取代肼进攻累烯基铜化合物的反应过程,分别考虑了添加剂N(CH3)3和MeOH的作用。文中分为三条路径,即路径ⅡA(无溶剂分子参与反应)、路径ⅡB(N(CH_3)_3诱导炔烃去氢)和路径ⅡD(溶剂分子参与的氢转移)。计算结果显示,甲醇对活化肼的N H键起了重要的诱导作用。甲醇分子与肼形成氢键O···H-N1得到中间体2f,进而发生C H还原形成中间体2g,即甲醇分子上的羟基氢原子转移到炔烃的ɑ-C上,同时与N1相连的H原子转移到甲醇的氧原子上。从2g出发,甲醇分子诱导炔发生1,2 H迁移,然后 NH2进攻C1得到一个五元环化合物。随后甲醇分子再次诱导N H键断裂,最后在两分子甲醇诱导的作用下,N2 H发生1,3 H迁移生成稳定化合物,这与实验上得到的结果完全一致。通过比较三条路径的能量得出,甲醇分子参与的氢转移路径ⅡD是最优路径。反应过程的决速步都是1,3 H迁移过程。本文的研究结果不仅为理解CuL催化炔丙基乙酸酯与肼的详细反应路径提供了理论基础,而且很好的解释了实验上添加剂的作用,更是对实验研究者所提出的可能路径进行了补充和校正。在累烯基铜的形成过程中,N(CH_3)_3分子能够很好地促进乙酸消除。而在单取代肼进攻部分,MeOH溶剂分子的参与对于N H键的活化和氢转移起了至关重要的作用。
文内图片：铜催化C H官能化反应合成杂环化合物提出的单电子过程反应机理

图片说明：山西师范大学硕士学位论文催化剂 CuII完成整个催化循环。反应过程中，在 CuII物种的存在下，通过环化过一个 CuII的关键中间体。CuII中间体分子内的电子转移得到一个自由基中间体，历一系列的转化得到杂环产物。传统的 CuII/CuI催化环涉及自由基底物的单电子这是通过 CuII和氧化剂实现的（特别是有机过氧化物）。
文内图片：铜催化通过单电子转移机理形成的Csp1 Csp3键

图片说明：图 1-1 铜催化 C H 官能化反应合成杂环化合物提出的单电子过程反应机理（注：此图来源于文献 14）在 2004 年，Li 及其同事[15]报道了铜催化 Csp3 H 到 N 原子的交叉脱氢耦合反应。他们付出了很大努力才实现了对映选择性不对称炔烃与 N 原子形成 C N 键。通过这种非对称方法得到一个特殊的天然产物和药用型的手性四氢异喹啉衍生物。使用 NBS（1 溴， 2,5 吡咯二酮）为自由基引发剂，，2008 年，Fu 及其同事[16]开发了通过铜催化的三级脂肪胺和末端炔烃 C H 官能化反应的耦合反应。这些反应都涉及一个类似的过程[17]（图 1-2）。铜催化的 Csp3 H 键活化形成亚胺型中间体（与铜配位）。单电子转移（SET）过程是转化的第一步，紧接着亚胺型中间体被铜炔配合物亲核攻击再生铜盐催化剂和目标产物。
【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O621.251

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