手性Al-Schiff鹼催化C=O和C=N雙鍵氫膦醯化反應機理研究

《手性Al-Schiff鹼催化C=O和C=N雙鍵氫膦醯化反應機理研究》是依託四川大學，由蘇志珊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：手性Al-Schiff鹼催化C=O和C=N雙鍵氫膦醯化反應機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蘇志珊
• 依託單位：四川大學

項目摘要

光學活性的α-羥基和α-氨基膦酸酯是重要的有機合成中間體，C=O和C=N雙鍵上的不對稱氫膦醯化反應是獲得這類化合物的簡便方法之一。本項目擬採用量子化學計算方法，研究幾種催化劑作用下典型羰基和亞胺化合物與亞膦酸酯之間的氫膦醯化反應機理，探明催化反應進行的各種可能路徑，確立反應機理及相應的勢能曲線，進一步考慮溶劑化效應，預測反應動力學特徵。研究手性配體結構特徵的改變對催化劑活性及反應對映選擇性的影響，並研究含不同取代基的羰基、亞胺及亞膦酸酯反應機理的異同。通過對數據的分析歸納，與實驗結果進行比較關聯，明確手性Al-Schiff鹼配合物催化劑的活性位點及影響反應對映選擇性的關鍵，探明反應底物的電子效應和空間結構與催化劑之間的匹配關係，總結出高對映過量與催化劑結構之間的普遍規律，對深入認識相關合成反應，研製高效的C=O和C=N雙鍵上不對稱氫膦醯化反應催化劑具有重要意義。

結題摘要

光學活性的α-羥基和α-氨基膦酸酯是重要的有機合成中間體，C=O 和C=N 雙鍵上的不對稱氫膦醯化反應是獲得這類化合物的簡便方法之一。根據研究計畫，我們採用DFT和ONIOM方法，對典型的Schiff配體與金屬鋁試劑形成的配合物催化劑作用下的氫膦醯化反應進行了研究，詳細考察了反應機理及立體選擇性。理論研究表明催化循環由三個基元反應構成： (1)由 P-H鍵的活化形成Al-亞磷酸酯物種； (2)亞磷酸酯對苯甲醛的親核加成生成C-P鍵； (3)形成α-羥基磷酸酯產物及水楊醛‒Al(III)配合物的再生，其中C-P鍵的形成步驟不僅是整個反應的速率控制步驟，同時也是立體選擇性控制步驟。底物苯甲醛與手性配體鄰位取代基金剛烷之間的排斥作用是影響產物立體選擇性的關鍵因素。理論研究揭示了催化反應活性物種為二聚體水楊醛-Al配合物，通過反應能壘及催化循環中的轉化數的比較，揭示了其在催化反應中表現出高反應活性及催化轉化效率的原因。此外，我們也考察了C=O和C=N雙鍵底物的另外三種重要的加成反應，即：C=N雙鍵的氰基加成反應(Strecker反應)，C=O雙鍵的烯丙基化反應及氮氧化合物催化下酮的Baeyer-Villiger 氧化反應。在Ti配合物催化不對稱Strecker反應機理研究中，提出了反應的雙活化機理。同時，理論模擬很好地揭示了高效的自組裝Ti催化劑的結構及手性口袋的特點，闡明了不對稱活化現象產生原因。在鋅化合物催化酮與烯丙基硼酸酯的烯丙基化反應機理研究中，計算結果表明反應經由雙加成分步機理比Lewis酸催化的分步機理更為有利，四配位硼中間體是反應的活性物種，且硼鋅金屬置換步驟是反應的速率控制步驟。計算闡明了醇添加劑能參與高反應活性物種的形成，並很好地解釋了實驗所觀察到的反應活性數據。在氮氧偶極-鈧(III)配合物催化的不對稱Baeyer-Villiger 氧化反應中，初步解釋了有機酸在催化反應中的作用：一方面參與Sc3+中心離子的配位形成催化活性物種，另一方面通過構建合適的氫鍵網路促進反應中的質子轉移。同時，通過能量分解分析從理論上解釋了添加劑的酸性對反應過程中過渡態結構及能量的影響。本項目共發表論文13篇，其中SCI收錄論文7篇(含 J. Am. Chem. Soc. 1篇，Chem. Eur. J. 4篇)。