钯催化剂催化丙烯醇非对称环羰基化反应机理的理论研究

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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作用。虽然这个反应在实验上和理论上都有很多报道,但它的反应机理目前还尚不明确。在本文中,我们不仅详细探讨了Pd催化剂催化烯丙醇环羰基化的反应机理,还着重研究了醇助在这个反应中的重要作用。我们的研究结果不仅对Pd催化剂的催化烯丙醇羰基化有重要的指导作用,同时还对未来Pd催化剂的设计提供了有力的理论支持。这篇文章的主要内容包括以下两个方面:(1)在B3LYP/BS1(对C、H、O、P、Cl原子使用6-31+G**基组,对Pd原子使用LAND2DZ基组)水平上对丙烯醇的不对称环羰基化的反应机理进行了理论研究。催化剂采用了简化模型,具体分子式为PdHCl[H2P (CH22PH2]和PdH[H2P (CH22PH2]。计算结果表明:(a)整个催化反应循环由三个主要步骤组成:烯丙醇的插入、一氧化碳的插入和氢转移以及产物的消去。(b)共计算了十条反应路径,分别为催化剂中含氯原子的A-Cl、B-Cl、AClP、A-ClOH、B-ClOH和催化剂中不含氯原子的A、B、AP、AOH、BOH。(c)在烯丙醇插入步骤中,和含氯的反应路径相比,不含氯的反应路径为优势路径。在一氧化碳插入步骤中,路径A、A-Cl比路径B、B-Cl更优势。除了AOH、AClP、BOH和B-ClOH四条路径之外,氢转移和产物消去步骤是整个反应的速率控制步骤。(d)醇助(A-ClOH、AClP、AP、AOH、BOH和B-ClOH)在降低速率控制步骤反应能垒的过程中起到了非常重要的作用,且路径AOH比BOH更加优势。这从机理上解释了S构型的产物是反应优势产物的原因。在产物离去之后,催化剂再生。我们的计算结果和实验结果一致。(2)在B3LYP/BS1(对C、H、O、P、Cl原子使用6-31+G**基组,对Pd原子使用LAND2DZ基组)水平上分别从三条路径(Pd原子为四配位的Pd(II)、Pd原子为六配位的Pd(IV)、考虑了醇助效应的Pd(II))探讨了氢转移和产物消去步骤的反应机理。结果表明,Pd(II)路径与Pd(IV)路径相比,Pd(II)路径更优势。甲醇作为质子转移的介质,明显降低了Pd(II)路径的反应能垒,与无醇助时相比,其能垒减少了15.4kcal/mol。进而,我们讨论了三条路径的溶剂化效应(PCM模型,溶剂为甲醇),结果与势能面分析的结果基本一致。
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