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烯丙醇的不对称环羰基化反应在工业中具有非常重要的应用作用,合成的手性γ-丁内酯(GBL)类产物是医药、农业和精细化工等产品的重要中间体。虽然此反应在实验上有很多报道,但反应机理目前还尚不明确。本论文不仅详细探讨了Pd催化剂催化烯丙醇环羰基化的不对称反应机理,揭示反应本质,并提出醇助在此反应中的重要作用,具有一定的理论研究意义,并为实验科学家改进设计潜在高活性的Pd等过渡金属催化剂催化不饱和烯醇化合物不对称环羰基化反应提供重要的理论参考和依据。
本论文采用密度泛函方法对由PdHCl[H2P(CH2)2PH2]催化的烯丙基醇的环羰基化反应进行了研究。该催化循环反应机理包括:烯烃插入、CO插入和氢转移(醇消除)三步基元反应。首先,我们把生成S产物的路径表示为Path A,把生成R产物的路径表示为Path B。在Path A中,我们对可能发生的六条反应路径进行了研究,分别表示为Path A-Cl(带Cl配体的反应路径),Path A-H(不带Cl配体的反应路径),Path A-ClP(带Cl配体的配体辅助质子转移反应路径),Path A-P(不带Cl配体的配体辅助质子转移反应路径),Path A-ClOH(带Cl配体的醇溶剂辅助质子转移反应路径),Path A-OH(不带Cl配体的醇溶剂辅助质子转移反应路径)。在Path A-Cl,Path A-H,Path A-ClP,Path A-P,Path A-ClOH,Path A-OH这六条反应路径的反应位垒分别为3.9/11.1/33.7,0.9/11.9/32.1,3.9/11.1/10.7/0.4,0.9/11.9/14.1/7.2,3.9/11.1/18.3,0.9/11.9/9.5 kcal/mol(3.9/11.1/33.7 kcal/mol表示在PathA-Cl路径中,烯烃插入的反应位垒为3.9 kcal/mol,CO插入的反应位垒为11.1 kcal/mol,氢转移的反应位垒为33.7 kcal/mol)。在Path B路径中,我们对其中四条可能反应路径进行了研究,分别表示为PathB-Cl, B-H, B-OH, B-ClOH。在Path B-Cl, B-H, B-OH和B-ClOH这四条反应路径中的反应位垒分别为4.4/17.4/33.0,1.2/14.2/29.7,1.2/14.2/12.4和4.4/17.4/14.8 kcal/mol。对于Path A-Cl, A-H, A-P,A-ClOH,B-Cl,B-H路径,其速率控制步骤为氢转移还原消除步骤。但对于Path A-ClP,A-OH,B-OH,B-ClOH路径,其速率控制步骤变为了CO插入步骤。其次,计算结果表明,在Path A和Path B反应路径中,Path A-OH和Path B-OH分别应为最优势的反应路径,这表明醇溶剂在氢转移过程中起到了重要作用,Path A-OH和PathB-OH中氢转移的位垒分别从32.1/29.7 kcal/mol降到了9.5/12.4kcal/mol。同时,本论文研究发现Path A-OH中氢转移的位垒比PathB-OH中高2.9 kcal/mol,S型γ-丁内酯是主要的手性产物,这一结论与实验结果相一致,立体效应与电子效应在Pd催化剂对底物的手性识别中起到了重要的作用。最后,本研究表明Pd(Ⅱ)比Pd(Ⅳ)催化活性组分具有更好的催化活性,这一结论也与实验结果相一致。总之,醇溶剂在Pd催化的不对称环羰基化反应中起到的关键作用的研究结果不仅能用在了类似Pd催化的不对称环羰基化反应中,而且可以为其它过渡金属催化剂催化的C-C,C-N和C-O的形成反应提供参考。