钴配合物催化烯炔环化反应机理的理论研究

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氢化物转移反应在有机合成和化学工业过程中都发挥着重要作用,是合成各类结构骨架的强大工具。经典的氢化物转移反应包括(脱)氢化、加氢甲酰化、硼氢化和氢化硅烷化反应。目前大多数氢化物转移反应主要依赖于钌、铑、钯、铱和铂等贵金属催化剂,然而这些金属的使用受到其高成本、低丰度和生物相容性的限制。相比之下,使用铁、锰和钴等第一过渡周期金属作为催化剂更具可持续性,并且具有独特或者互补的反应特性。本论文首先采用密度泛函理论对配体调控Co(I)催化的1,6-烯炔与频哪醇硼烷的不对称硼氢化/环化反应机理进行了研究。三齿配体OIP条件下的反应产物为烷基硼酸酯物质,相应的催化循环过程包括炔烃插入Co-H键、烯烃插入Co-C(sp~2)键以及σ-CAM基元步骤。而在竞争性反应通道得到烯基硼酸酯化合物时,三齿配体OIP的构象导致了HBpin与恶唑啉杂环之间存在较强的空间排斥作用,因此活化能垒高,动力学不可行。对于空间位阻较小的双齿IP配体,反应产物为烯基硼酸酯化合物,此时的σ-CAM过渡态中环化底物部分与Co NN平面处于垂直关系,这极大地降低了空间排斥作用,因此变为动力学更有利过程。本论文还研究了dppp配体调控的Co(I)催化1,6-烯炔与苯甲醛上不同位点的C-H活化反应,针对底物1,6-烯炔与苯甲醛羰基或者苯环上的C(sp~2)-H选择性活化反应分别进行了研究。在生成加氢酰化产物的催化循环过程中,反应依次通过氧化环化、迁移插入、β-H消除和C-H还原消除等基元步骤。从氧化环化中间体开始,反应可能发生分叉,开启竞争性的σ-CAM和C(sp~2)-(sp~3)还原消除过程,但该竞争性反应通道中σ-CAM过渡态的能量较高,因此动力学上不利。本论文对双齿及三齿配体调控的1,6-烯炔硼氢化、环化以及C-H活化机理的详细研究有助于理解配体的不同配位方式对化学选择性的影响规律,对进一步发展廉价金属催化的烯烃/炔烃加氢官能化反应有一定的指导作用。
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