环境友好的过渡金属催化H官能化和C-C键形成反应的机理研究

Development of science, technology, and society has caused serious environmental pollution. This leads to a great loss to our country and citizens. As one of the most basic and important organic reactions, hydrofunctionalization and C-C bond formation are widely applied to synthesize many drugs, material and polymers. Currently, many chemists choose to use homogenous transition metal catalysts to catalyze these two classes of the reactions. Recently, development of green catalysts is one of the hot research topics. Compared to the other transition metals, first-row transition metals have lower costs and lower toxicity. Therefore, the first-row transition metal catalysts can undergo more sustainable and greener reactions. However, theoretical studies on these systems are scarce, especially description of complex electronic structures of these metal ions. To systematically and extensively study reaction processes of hydrofunctionalization and C-C bond formation, multi-scale simulation methods (such as quantum mechanics and quantum mechanics/molecular mechanics methods, etc) will be applied to investigate the microscopic mechanisms of these reactions catalyzed by environmentally-benign transition metal catalysts and to elucidate the details of these reactions (including electronic structure, thermodynamics, rate-determining step and selectivities). Hopefully, our mechanistic understanding can help us rationally design and improve efficient environmentally-benign catalysts.

随着科技和社会的进步，环境污染问题日趋严重，进而给国家和人民带来了巨大的经济损失。作为最基本和最重要的有机反应之一，H官能化和C-C键形成反应被广泛地用于合成许多药物、材料以及聚合物等。当前，众多化学家选择采用过渡金属均相催化剂来催化这些有机反应。近年来，绿色催化剂的发展也成为研究热点。与其他过渡金属相比，第一周期过渡金属催化剂成本小且毒性低，故而能够实现可持续和更绿色的催化反应。但遗憾的是，上述方面的理论研究仍然比较滞后，尤其在描述金属离子复杂的电子结构方面研究甚少。为了更深入系统地探究上述催化反应过程，本项目将采用多尺度模拟方法(如量子力学和量子力学/分子力学等方法）重点研究环境友好过渡金属催化反应的微观机理，详细阐释其反应过程(如电子结构、热力学、决速步以及选择性等)。希望本项目的机理研究有助于设计和改进环境友好的高效催化剂。

随着科技和社会的进步，环境污染问题日趋严重，进而给国家和人民带来了巨大的经济损失。作为最基本和最重要的有机反应之一，氢官能化反应和碳-碳键形成反应已被广泛应用于合成许多药物、材料以及聚合物等。当前，许多化学家选择采用均相过渡金属催化剂来催化这些有机反应。近年来，绿色催化剂的发展也成为研究热点。与其他过渡金属相比，第一周期过渡金属催化剂成本小且毒性低，故而能够实现可持续和更绿色的催化反应。但是第一周期过渡金属催化反应机理复杂，理论研究仍然比较滞后，尤其在描述金属离子复杂的电子结构方面研究甚少。为了更深入系统地探究上述催化反应过程，本项目采用了多尺度模拟方法研究了几个环境友好过渡金属催化反应的微观机理，详细阐释了其反应过程(如电子结构、热力学、决速步，选择性，同位素效应与反应动力学等)。同时，本研究也提出了几个新的反应机理或对催化过程有了一些新理解和认识，部分新的反应机理已被实验验证了。在这些机理研究的基础上，我们希望本项研究工作有助于环境友好过渡金属催化剂的理性设计和改进。