路易斯碱催化的贫电子烯（炔）烃环加成反应的机理研究

Lewis base-catalyzed cycloaddition reaction of electron-deficient alkenes (alkynes) has emerged as a versatile method for the synthesis of cyclic and heterocyclic compounds due to its atom-economy, readily available starting materials and catalysts, and mild reaction conditions. However, there are only rare reports on mechanistic studies for Lewis base-catalyzed cycloaddition reaction of electron-deficient alkenes (alkynes). In this project, we attempt to do the mechanistic studies through computational studies combined with isotopic labeling experiments and kinetic studies. We endeavor to disclose how phosphorus-containing Lewis bases and nitrogen-containing Lewis bases affect the reaction outcomes and selectivities, and rationalize the divergence of the catalytic properties of phosphorus-containing Lewis bases and nitrogen-containing Lewis bases in these reactions, and explore how the stereoselectivity is controlled by chiral amine and chiral phosphine, and how noncovalent interaction, such as hydrogen bonding, influences the enantioselectivity and catalytic efficiency. These mechanistic studies may deepen our understanding for Lewis base-catalyzed cycloaddition reaction of electron-deficient alkenes (alkynes), moreover, benefit the catalyst screening and catalyst design for this kind of reaction.

路易斯碱催化的贫电子烯（炔）烃环加成反应因为具有原子经济性、反应原料和催化剂廉价易得、反应条件温和等优点，逐渐发展成为一种合成环状化合物和杂环化合物的重要方法。然而，目前关于此类反应的机理研究鲜有报道。本项目拟采用计算化学的方法，结合必要的同位素标记实验和动力学实验对路易斯碱催化的贫电子烯（炔）环加成反应机理进行研究。希望通过研究，揭示含磷路易斯碱和含氮路易斯碱影响反应结果及选择性的原因，合理解释含磷路易斯碱和含氮路易斯碱在催化循环中的作用和反应性能的差异，阐明手性膦和手性胺催化剂控制反应立体选择性的机理，以及氢键这种弱相互作用对产物对映选择性和催化效率的影响。这些机理研究将加深我们对路易斯碱催化的贫电子烯（炔）烃环加成反应的认识，为合理解释实验结果、筛选和设计新的高效、高选择性催化剂提供理论依据。

有效地构建具有特定构型的含有多官能团的环状化合物和杂环化合物在合成天然产物、有药物活性的化合物、香料、染料方面具有重要的意义，因此成为有机化学家们关注的焦点和活跃的研究领域。近年来，路易斯碱催化的贫电子烯(炔)烃环加成反应因为具有原子经济性、反应原料和催化剂廉价易得、反应条件温和等优点引起人们的注意，逐渐发展成为一种合成环状化合物和杂环化合物的重要方法。但相关反应的催化作用机制研究薄弱。本项目主要在膦催化的环加成反应及相关反应的机理，胺催化的环加成反应及相关反应的机理上展开研究，并取得以下重要结果：(1)我们在路易斯碱催化的环丙烯酮与亲核试剂的反应和其不对称反应及机理方面取得重要进展，提出了合理的反应机理，阐明膦催化剂和胺催化剂的差异，并揭示了催化剂对反应选择性影响的关键因素。(2)我们采用螺环骨架的手性膦催化剂，通过苯并呋喃酮衍生物与联烯酸酯的不对称[3+2]反应，高效高选择性地合成了苯并呋喃酮环戊烯螺环化合物，并采用理论计算为反应的区域选择性做出了合理解释。(3)我们发现了一个叔膦催化的吡啶烯烃与靛红衍生物的形式上[2+2+1]的环化反应，这是以前没有文献报道的新的环化模式，通过DFT计算,确定了合理的反应路径，并合理解释了产物的非对映选择性。(4)发展了一个叔膦催化的烷基炔酮与贫电子羰基化合物的环化反应；通过改变底物取代基，调节温度、添加剂等反应条件可改变反应的区域选择性，从而得到不同模式的环加成产物；通过理论计算确定了合理的反应机理，阐明底物取代基、反应温度和添加剂如果影响产物选择性。项目执行期间共发表了13篇SCI收录论文,引起国内外同行关注，为有机小分子催化领域的发展贡献了力量。