钯催化C-H键活化构筑C-C键偶合反应机理的理论研究

Transition metal palladium-catalyzed direct selective C-H bonds functionalization has become an important strategy to form C-C bonds in organic synthesis. The purpose of this work is to clarify the detailed mechanism of Pd-catalyzed alkenylation, arylation, alkynylation and alkylation coupling reactions via C-H activation/C-C coupling, which use the density functional theory calculation. More importantly, the study aims to shed light on the catalytic mechanism of catalyst Pd(OAc)2 in the reaction. The various factors controlling the activation barrier will be discussed, which include the solvent effect, the neutral ligand effect, and the metal center effect. On the basis of the above results, the stereo effect, electronic effect, and regioselectivity of directing groups of the substrate will be investigated on the reactivity and the competition selectivity of the reaction, which can reveal the reaction mechanism and realize the control of the substrate by modifying and changing substrate. The catalyst will be theoretical designed on the basis of examination of catalytic reaction mechanism, which can improve the activity and selectivity of the catalyst in the reaction. Our project will increase the knowledge about the mechanism of Pd-catalyzed alkenylation coupling reaction and arylation coupling reaction via C-H activation/C-C coupling, and provide the theoretical guidance for the development of new, more powerful catalyst.

过渡金属钯催化C-H键的选择性官能团化反应已成为有机合成中构筑C-C键的重要策略。本项目将采用密度泛函理论方法，对Pd催化C-H键活化构筑C-C键烯基化、芳基化、炔基化及烷基化偶合反应的反应机理进行研究，重点阐明催化剂Pd(OAc)2在反应过程中催化机制。对一系列影响反应能垒的因素，包括溶剂效应、中性配体效应和金属中心效应进行理论研究。在此基础上，对反应底物中导向基的立体效应、电子效应和区域选择效应对反应活性和反应竞争选择性的影响将进行计算，揭示其对反应机制的作用，从而在底物的修饰和改变上实现产物的可调控性。理解催化剂的作用机制，对催化剂进行理论设计，改进催化剂对反应活性和选择性的影响。通过本项目的进行，将深化对Pd催化C-H键活化构筑C-C键偶合反应机制的认识，为发展新型高效催化剂提供理论指导。

C-C键的构筑是现代有机合成的核心之一，过渡金属钯催化活化C-H键的偶合反应是C-C键形成的一种重要方法。本项目采用密度泛函理论对几种重要过渡金属Pd催化活化C-H键构筑C-C键的偶合反应进行了理论研究。揭示相应的反应机理，指出反应的决速步，对关键的中间体和过渡态结构进行预测，探索、发现相关转化的基元反应，提供一些重要基元反应的控制规律，阐明催化体系的作用机制和规律。研究结果表明：(1) 钯催化氰基导向基团辅助的C-H活化反应的理论研究中包括四个过程：C-H活化，CF3COOH解离，氧化加成，还原消除和催化剂再生。其中决速步是还原消除和催化剂再生步。氰基与Pd中心的弱配位作用使金属-配体之间的键合作用容易被破坏，也使得Pd催化芳香C-H活化在动力学上更易发生。Ag2O是作为卤化物清除剂除去碘化物并用于Pd催化剂的再生。(2) 阳离子钯催化活化C-H键构筑C-C键偶合反应中，得出在[Pd(MeCN)4](BF4)2催化体系中，活性催化剂是二价阳离子，其中C-H活化步是反应的决速步。在Pd(OAc)2催化体系中，活性催化剂是一价阳离子，反应的决速步是丙烯酯的插入。同时揭示了不同配体对金属催化活性的影响。(3) 钯催化sp C-H活化环化合成苯并呋喃衍生物的理论研究中，整个催化循环包含六个过程：C1-H键活化、BQ插入和β-H消除、芳构化、C2-H键活化、C-O键偶合和催化剂再生。其中C-O键偶合是反应的决速步。(4) 钯催化芳基卤和异腈的C-C偶合反应的理论研究中分为五个过程：氧化加成、异腈的迁移插入、阴离子交换、还原消除和氢迁移。其中，PdPH3和芳基溴的氧化加成是整个反应的决速步。水作为亲核试剂不仅使CsF水解生成CsOH形成碱性环境，促进阴离子交换，还有效的降低了氢迁移的反应能垒。(5) 钯催化苯甲酰肼羰基化合成1,3,4-噁二唑-2-酮反应机理研究中主要包括N1-H活化、羰基插入、N2-H活化、还原消除四个顺序步骤。其中，羰基插入Pd-N键为反应的决速步。研究发现乙腈与金属配位可活化催化剂的催化活性，降低反应的活化能。此外，催化剂对含有不同电子效应的取代基的底物具有普适性。