酸度導(dǎo)向的不對稱有機(jī)催化研究.pdf

1、酸-堿化學(xué)是人們研究最為深入的化學(xué)領(lǐng)域之一，廣義上講幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)都可以看做酸-堿反應(yīng)。Br(o)nsted酸-堿化學(xué)是質(zhì)子轉(zhuǎn)移的化學(xué)，最重要的一個熱力學(xué)參數(shù)就是平衡酸度（pKa）。pKa定量描述了化合物得失質(zhì)子的能力，能夠聯(lián)系熱力學(xué)和動力學(xué)。在近代化學(xué)史上，特別是化學(xué)理論的建立上取得了一系列矚目成果。在當(dāng)代不對稱催化領(lǐng)域，pKa又展現(xiàn)了其獨特的魅力，在研究酸堿催化機(jī)理、新型催化劑設(shè)計、新催化反應(yīng)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(xué)的興起，為化學(xué)研究注入了新的活力，在化合物熱動力學(xué)性質(zhì)預(yù)測、復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)機(jī)制闡釋、過渡態(tài)研究等領(lǐng)域大顯身手。有機(jī)小分子不對稱催化，特別是有機(jī)Br(o)nsted酸催化，是近十年來的熱門研究領(lǐng)域之一，一直受到化學(xué)工作者的青睞。目前對有機(jī)Br(o)nsted酸催化反應(yīng)的研究多注重于應(yīng)用，即發(fā)展多種多樣的不對稱酸催化反應(yīng)，而針對反應(yīng)規(guī)律性的研究很少，不能形成具有指導(dǎo)意義的規(guī)律或理論。物理有機(jī)化學(xué)作為有機(jī)化學(xué)的

3、理論科學(xué)，關(guān)注的是化學(xué)現(xiàn)象背后的本質(zhì)，注重從實際問題中提煉出一般規(guī)律。
　　本文從物理有機(jī)化學(xué)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(xué)和實驗化學(xué)為手段，開展催化劑酸度、底物酸度對催化反應(yīng)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(shè)計和基于底物酸度的不對稱催化反應(yīng)設(shè)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(yù)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(biāo)度，并初步嘗試?yán)么呋瘎┧岫热ソ忉尫磻?yīng)的活性與立體選擇性，為今后利用酸度設(shè)計新型催化反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。
　　二是將建立的理論預(yù)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(jī)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(biāo)度，利用該標(biāo)度討論了調(diào)控催化劑酸度來設(shè)計新型Br(o)nsted催化劑的策略，并預(yù)測出相應(yīng)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(qiáng)度的認(rèn)識上升至定量階段。同時在更大酸度范圍內(nèi)研究了催化劑酸度對催化反應(yīng)的影響，揭示了催化劑酸度在催化反應(yīng)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(shè)計了有機(jī)堿催化的不對稱反應(yīng)，用于合成光學(xué)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(hù)的吲哚酮3位氫酸度(13.5)相當(dāng)，而強(qiáng)于硝基甲烷(17.2)的酸度;(2)乙酯基保護(hù)的吲哚酮可以與二烯酮反應(yīng)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(yīng)，之后在強(qiáng)堿的作用下可以繼續(xù)反應(yīng)生成環(huán)己酮化合物。該新設(shè)計的催化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)率高達(dá)99％，非對映選擇性高達(dá)19