摘 要

过渡金属铑催化重氮酸酯分解脱去氮分子，产生的活泼中间体金属卡宾插入到含C-H键底物，是构筑碳碳键的强有力的合成方法之一。它在天然产物、药物分子等合成领域，尤其是在不对称合成方面具有重要应用价值。然而，目前该合成方法还普遍存在底物范围窄、选择性低等缺陷。因此，优化现有合成方法和开发新型高效催化剂仍是该领域重要的研究热点和难点。然而，此类问题的解决，一般都需要对相关反应机理有较为深入地的了解，并作为指导开展相关工作。本文以Rh（II）催化芳基C-H插入反应为例，应用密度泛函理论方法对相关的反应机理开展了细致的研究。结果表明，该反应经历重氮酸酯在Rh原子上的分解，生成金属卡宾中间体，随后发生底物的亲核进攻，获得叶立德，并发生快速的质子迁移，获得烯醇中间体。C-H插入产物是通过烯醇的自催化获得的。然而计算结果显示，烯醇催化剂的再生需要20.9 kcal/mol的活化能。这表明获得较高的产率需要较高的反应温度和较长的反应时间，或反应时选择合适的催化剂是需要的。此研究为我们进一步研究其他X-H插入反应机理提供了很多重要的参考。

关键词：Rh(II) 催化；X-H插入；C-H插入；金属卡宾；密度泛函理论

Abstract

Transition metal-catalyzed the C-H insertion into the active carbene, in situ, generated by the decomposition of diazoacetate is one of the powerful methods to construct the C-C bond. It is valuable and can be applied widely in the synthesis of natural product and pharmaceutical molecules, especially for the asymmetric version of synthesis. However, up to date, the narrow substrate scope and low enantioselectivity are still the main problem unresolved in this field. Thus, the optimization of the reaction and development of new high efficient catalysts are still highly demanded. Normally, a deep understanding on the mechanism is required to resolve these problem. Herein, using the Rh(II)-catalyzed aromatic C-H insertion as a model, we have carried a detailed mechanistic study by using the density functional theory method. Results show that the reaction is initiated by the decomposition of the diazoacetate to generate a metal-carbenoid followed by a nucleophilic attack to give an ylide intermediate. Subsequently, a [1,4]-proton shift occurs to yield a C-bound enol. The C-H insertion product is obtained by the self-catalyzed [1,3]-H shifting of enol. However, the relative high activation free energy of 20.9 kcal/mol for the regeneration of enol catalyst indicates that this reaction should be less efficient. This is consistent to the observation experimentally and this can be improved by increasing the reaction temperature and elongating the reaction time or adding other efficient proton transfer catalyst. These findings are crucial for us to study other X-H insertion reactions in recent future.

Keywords: Rh(II)-catalyzed reaction；X-H insertion；C-H insertion；metal carbenoid；density functional theory

目录

摘 要 1

第1章 绪论 6

1.1 过渡金属催化X-H键插入反应的发展及应用 6

1.2 课题的提出 9

第2章 反应机理模拟的理论基础 11

2.1 计算化学的发展历程 11

2.2 密度泛函理论 12

2.3 Gaussian程序功能简介 13

2.4 化学反应过渡态的计算方法 13

2.5 过渡态 14

第3章 计算方法 19

3.1 软件与方法选择 19

3.2计算的命令语句： 19

第4章 Rh(II)催化C-H键插入反应机理的研究 21

4.1 引言 21

4.2 活性中间体的确认 22

4.3 烯醇的质子传递 23

4.3 小结 25

第5章 结论和展望 26

参考文献 28

第1章 绪 论

1.1 过渡金属催化X-H键插入反应的发展及应用

近些年，很多具有很高的催化效率的官能团导向的C-H键插入反应被报道出来。研究如何使过渡金属作为有机反应的催化剂是有机合成的一个重要领域；手性化合物作为药物及各种功能材料的前体、中间体或最终产物，在化工生产中是极其重要的。对与如何获取单一对映体化合物及其应用仍是当代研究者的首要任务^[1-9]。因为C-X 普遍存在于生物分子中，是有机分子结构中最为活跃的部分之一，也是合成这些产物基本骨架的原材料之一，因此构造C-X键是研究课题中必不可少的任务^{[10, 11]}。通过重氮化合物生成的卡宾或类卡宾，经过渡金属催化插入到含杂原子氢键 (X-H, X=C、N、O、S、Si，etc) 的底物中，是构造C-X键最高效的方法 (图 1-1) ^[12]。

卡宾一直是有机化学中重要的部分。但由于它存在时间短，所以很难把它分离出来。经过研究，科学家们发现金属卡宾可以通过金属催化重氮化合物分解获得，并形成有机合成反应的中间体^[12]。相比于自由卡宾，金属卡宾不但可以增强稳定性，而且具备很好的选择性^[13]。此后，科学家们又合成了金属卡拜配合物。如今，金属卡宾、卡拜配合物在有机化学中已被广泛应用，成为了金属有机化学的前沿领域之一。