水介质中Zn配合物催化C=O和C=N双键烯丙基化反应机理及选择性理论研究

The allylation of C=O and C=N double bonds is one of the most effective strategies for the construction of C-C bond. The target prodcut homoallylic alcohols and amines are important active intermediates in organic synthesis. This project intends to investigate the reaction mechanism of allylation of C=O and C=N double bonds with allylboronates catalyzed by several kinds of zinc-complexes in aqueous media. Some key scientific issues, such as the activation modes of C=O and C=N double bonds, the catalytic reaction pathways and corresponding potential energy curves, the special role of water solvent, and the origin of selectivity to products will be explored by means of quantum chemistry calculation. The understanding of the influence from the microstructure of the zinc-complexes and substrates on the kinetic characteristics of the reaction and selectivity to products will be performed by changing the structure of the complexes and substituents on the substrates (carbonyl, imines and allylboranates). The identification of the nature of the catalysis from the zinc-complexes, the key factors that influence the selectivity to products, the matched relationship between the spatial structure and the electronic effect of the substrate between the catalyst and the solvent, as well as the rules that control the regioselectivity and stereoselectivity to products will be confirmed via the compararion between the calculations and experiments. This research work will provide some scientific bases to design the more powerful catalysts for constructing C-C bond in aqueous solution at the molecular level.

C=O和C=N双键的烯丙基化反应是构建C-C键的有效方法之一，其目标产物高烯丙基醇和胺是有机合成领域内的重要活性中间体。本项目拟采用量子化学计算方法，研究水介质中几种金属锌配合物催化作用下C=O和C=N化合物与烯丙基硼酸酯的烯丙基化反应机理中一些待深入探索的问题（如 C=O和C=N双键的活化方式，催化反应的路径及相应的势能曲线，溶剂水的特殊作用，以及控制产物选择性的主要因素等）。通过改变配合物的结构和底物（羰基、亚胺和烯丙基硼酸酯）的取代基，深入认识其微观结构对反应动力学特征和产物选择性产生的差异。通过计算结果与实验数据的对比关联，确定金属锌配合物催化作用的本质以及影响产物选择性的关键因素，探明底物的空间结构和电子效应与催化剂、溶剂之间的匹配关系，以及控制产物区域选择性和立体选择性的规律，为从分子水平上设计在水溶液中对C-C键的构建具有更优越性能的催化剂提供的科学依据。

C=O和C=N双键的烯丙基化反应是构建C-C键的有效方法之一，其目标产物高烯丙基醇和胺是有机合成领域内的重要活性中间体。根据研究计划，我们采用密度泛函理论计算方法，分别详细地考察了水与烯丙基硼试剂的相互作用方式，非手性体系的催化反应机理，以及反应的立体选择性。计算结果表明，水分子可以通过氧原子的孤对电子与烯丙基硼酸酯中硼中心配位形成分子复合物。当水分子数目增加时，可以通过氢键作用的方式在硼酸酯周围形成水分子链团簇。计算获得了非催化和催化反应体系过程的势能面信息。在无催化剂存在下，γ-加成产物闭合双分子Zimmerman's式六元环状过渡态得到。在非手性的Zn(OH)2催化体系中，确定了以乙腈作为隐形溶剂，一分子水作为显性溶剂的反应模型。理论研究初步揭示了溶剂水的特殊作用是通过与底物烯丙基硼酸酯的相互作用降低烯丙基硼酸酯的活性，从而提升α-加成产物的选择性。对于手性体系，计算结果表明，α-加成产物的syn/anti 构象选择性是由催化循环中烯丙基锌物种与苯甲醛中的C=O 双键的加成步骤控制，而syn 构象产物的对映选择性主要取决于B-Zn金属置换步骤。手性配体（9）左边t-Bu基团的空间位阻以及配体中的两个羟基与Zn(OH)2中羟基之前的氢键相互作用为苯甲醛的不对称烯丙基化提供了特殊的手性环境。上述研究结果，为水介质中高选择性烯丙基化反应催化剂的设计和筛选积累了基础数据。此外，我们还考察了有机小分子活化CO2分子C=O键及相关催化转化反应的机理，手性联萘酚-Zn配合物催化亚胺C=N双键与色酮衍生化双烯体的逆电子需求的不对称Diels-Alder反应机理及立体选择性，以及13族元素-双亚氨基吡啶配合物的特殊几何结构。这些理论模拟工作对于理解相关复杂催化体系的动力学规律具有重要意义。