酮不对称加氢理论研究与非贵金属催化剂设计

Chiral alcohols are important intermediates in the synthesis of many drug molecules, and has been widely used in pharmaceutical and fine chemical industries. Catalytic asymmetric hydrogenation and transfer hydrogenation of ketones are the most efficient ways for the produce of chiral alcohols. Aim at the understanding of the mechanistic insights of transition metal catalyzed asymmetric hydrogenation of ketones and the design of high efficiency and low-cost chiral catalysts, this project will focus on theoretical investigations of various transition metal catalyzed ketone hydrogenation reactions by using modern computational quantum chemistry methods. We will find out the key factors controlling the chiral selectivity at the electronic structure level, propose new asymmetric transition metal complexes, and predict their catalytic activities for asymmetric hydrogenation of ketones. In order to reduce the cost of new catalysts for potential industrial application, we would like to pay more attention in the design of base metal catalysts by studying the active center structures of metal enzymes, especially the lactate racemase with an asymmetric pincer nickel complexes in its active center. This project not only provide well-defined potential base metal catalysts for experimental synthesis, but also expedite the development of low-cost and high efficiency asymmetric catalysts by proposing new reaction mechanisms and ways for the activations of inert chemical bonds.

手性醇是多种药物合成的重要中间体，在制药和精细化工等领域具有广泛的应用。酮不对称加氢是高效合成手性醇的主要方法。本项目以了解酮不对称催化加氢反应机理和设计高效、低成本的手性催化剂为目标，使用现代量子化学方法，研究多种过渡金属配合物催化的酮不对称加氢生成手性醇的微观反应机理，分析控制手性选择性的关键因素，构建新型不对称非贵金属配合物，并计算预测其催化潜力。为突破现有的催化剂在成本、环保和安全性上局限，本项目的研究工作将参考金属酶，特别是含有不对称钳形镍配合物的乳酸消旋酶活性中心结构与反应特性，设计具有潜在工业催化意义的新型不对称非贵金属配合物。本项目的研究工作不仅仅明确提出潜在的催化剂结构，为实验合成指明方向，同时也通过对手性选择性在电子结构水平上的深入分析，丰富不对称催化的理论基础，为非贵金属手性催化剂的设计提供新的思路，形成系统的催化剂设计理念，促进理论催化研究在解决实际问题中的应用。

本项目以发展高效低成本的酮不对称加氢催化剂为目标，针对酮类分子不对称催化加氢生成手性醇和相关金属有机催化反应，使用现代量子化学方法开展了一系列反应机理研究和催化剂计算设计工作。通过对反应机理和控制手性选择性的关键因素的深入分析，构建了多个新型不对称非贵金属配合物，并计算预测了其催化潜力。本项目的研究工作不仅仅明确提出潜在的催化剂结构，为实验合成指明方向，同时也通过对手性选择性在电子结构水平上的深入分析，丰富了不对称催化的理论基础，为非贵金属手性催化剂的设计提供新的思路，有助于拓展H-H、C-H、C=O、N-N、O=O等多种惰性化学键活化与重组的方式，推动理论催化研究在解决实际问题中的应用。项目执行期间内受新冠疫情影响，学术交流相对较少，研究进度略低于预期，但仍取得了多项创新性研究成果，发表研究论文15篇。