“水上”条件和混合溶剂中若干重要化学反应的机理和溶剂效应的理论研究

The concept of an "on water" reaction has been used to describe the phenomenon that the insoluble organic reactants in aqueous emulsions or suspensions formed under the high speed stirring react to give high yields of products with large rate acceleration and selectivity enhancement compared with in the organic solvent. The development of “on water” organic reaction is a breakthrough in the field of aqueous organic reactions for green synthesis. This project will comprehensively utilize quantum chemistry calculations, QM/MM method, Monte Carlo statistical simulation, and free energy perturbation theory to investigate systematically the mechanism and reaction selectivity of several important organic reactions "on water" and in mixed solvents after establishing and perfecting the effective "dual-level" computing strategy to improve the effectiveness of the MC simulation method. In this study, the microstructure of hydrogen bonding system between solute and solvent will be quantitatively described under the conditions of "in water", "on water" and the mixed water-organic solvent. We will inspect the crucial role law of the hydrogen bonding to the reaction rate and selectivity in the different solvent environments, explore the intrinsic relationship of the catalytic effect of "on water" with solvent environment and its structure factors, and make more reasonable explanation to the some experimental phenomena. The performance of this project will help us improve the understanding of the microscopic mechanism of aqueous heterogeneous reaction. For the optimization of organic reaction process and design of more efficient green synthetic route, it has very important theoretical guidance significance.

一个“水上”反应的概念用来描述不溶于水的有机反应物在水中高速搅拌下形成悬浮液而发生反应且与在有机溶剂中相比出现速率提升和反应选择性增强的现象。“水上”有机反应的发展是水相绿色合成反应研究领域中的一个突破。本项目将综合利用量子化学，QM/MM方法和Monte Carlo统计模拟方法以及自由能微扰理论，建立和完善有效的“双水平”计算策略来改进MC模拟方法的有效性，较为系统地研究几种重要的有机反应在“水上”和混合溶剂中的反应机理和反应选择性，定量地描述“水中”、“水上”和水-有机混合溶剂中溶质-溶剂氢键作用的微观结构，考察这种氢键作用对反应速率和选择性影响的规律，探索“水上”催化效应与溶剂环境及结构因素的内在联系，对一些实验现象作出更合理的解释。该项目的研究将有助于提高对水相非均相反应微观作用机制的认识，对于优化有机反应过程、设计更多高效的绿色合成路线具有非常重要的理论指导意义。

“水上”有机反应是指不溶于水的有机反应物在水中高速搅拌下形成悬浮液在水与有机相的界面上发生的反应。相对于有机溶剂中该类反应呈现出速率提升和反应选择性增强的现象。而定量描述纯水和水-有机混合溶剂条件下的化学反应的“水上”催化效应和溶剂效应是理论化学研究领域的重要目标之一。本项目综合利用量子化学，QM/MM方法和Monte Carlo (MC)统计模拟方法以及自由能微扰理论构建了研究凝聚相中化学反应热力学和动力学行为的完整方案，建立和完善了有效的“双水平”计算策略来改进MC模拟方法的有效性。较为系统地研究了几种重要的有机反应在“水上”和混合溶剂中的反应机理和反应选择性，取得了一些重要的研究成果。采用DFT方法结合微溶剂化模型和QM/MM/MC模拟方法研究了一些"水上"反应, 如:非催化的N-甲基-2,4-噻唑烷二酮和N-甲基靛红间在“水上”和二甲亚砜(DMSO)中的羟醛缩合(Aldol)反应，DACBO催化的靛红与3,5-二甲基-4-硝基异恶唑的插烯Henry反应, 二乙醇胺催化的靛红与吲哚间的Friedal-Crafts反应的机理和溶剂效应，通过计算得到的活化自由能垒，溶质-溶剂能量对分布函数和径向分布函数等信息分析了这些反应的优势途径和高的立体选择性的来源。定量地描述了“水中”、“水上”和水-有机混合溶剂中溶质-溶剂氢键作用的微观结构，考察了这种氢键作用对反应速率和选择性影响，揭示了“水上”催化效应与溶剂环境和结构因素间的内在联系。阐明了Lewis酸辅助手性Brønsted酸(LBA)催化的顺式内烯的烯丙基氧化反应和Rh2配合物催化的重氮醋酸酯与偶氮甲碱亚胺的[3+3]-环加成反应的机理和产物高选择性的来源。系统地对取代diazoacetates在二铑或铜催化剂作用下的1,2-C-C, -O-C和-N-C竞争迁移反应的机理进行了详细研究，很好地解释了催化剂控制的高化学选择性的实验现象。这些研究将有助于提高对水相非均相反应微观作用机制和催化活性本质的认识，为从分子水平上认识有机反应过程、设计更多高效的绿色合成路线提供一定的理论信息，具有非常重要的理论指导意义。本项目执行期间共发表SCI收录的研究论文20篇。