铁配合物催化烯烃膦氢化机理的理论研究与催化剂设计

Hydrophosphination is an efficient strategy to build the C-P bond. It is still a challenge to study Fe-catalyzed mechanism. In this project, we will investigate the C-P bond formation mechanism on the Fe-catalyzed hydrophosphination of alkenes. We will clarify the hydrophosphination mechanisms at the molecular level for two reported experiments. That is, (1) Fe(II) β-diketiminate catalyzed intramolecular hydrophosphination of nonactivated phosphinoalkenes; (2) FeCl2 and FeCl3 catalyzed hydrophosphination of alkenyl arenes. We will also evaluate the effects of solvent, ligand, and substituent on the reaction mechanism. In order to correct the experimental deficiency and expand the scope of this type of reactions, we will rationally design some catalysts, theoretically evaluate their activities, and screen out the best one for experimental study to test the activity. The expected results will make clear the active species, reveal the relevant structures of different spin multiplicities, determine the favored pathway and the rate-limiting process, and give a deep insight on the two-state iron-catalyzed reaction modes. Moreover, the nature of reactivity will be analyzed by the electronic effect and orbital interaction. The expected achievement should have an important effect on understanding the homogeneous iron-catalyzed hydrophosphination mechanism, and provide a theoretical basis for the similar organic synthesis.

膦氢化反应是高效构建C-P键的方法。铁催化机理的研究还有很大挑战性。本项目围绕铁配合物催化烯烃膦氢化反应构建C-P键的机理进行研究。我们拟从分子水平角度阐明最近报道的两类实验研究工作：（1）β-二亚胺基铁(II)催化膦基烯烃的分子内膦氢化反应；（2）FeCl2和FeCl3催化仲膦与苯乙烯的分子间膦氢化的反应。另外还研究配体、溶剂，取代基对反应机理的影响。针对实验中的不足，为扩展此类反应研究，我们拟设计一些合理的催化剂结构，理论评价催化性能，并筛选出高效的催化剂进行实验验证。预期研究结果将阐明反应过程中活性物种，揭示铁催化过程涉及到的不同自旋态下的结构，明确反应过程有利途径和反应决速步骤，加深对铁催化反应的双态反应模式的认识和理解。通过分析反应过程中的电子效应和轨道相互作用，揭示反应性的本质。项目预期研究成果对均相铁催化膦氢化反应具有重要的研究意义，并将对类似的有机合成提供重要的理论依据。

膦氢化反应构建C-P键具有原子经济性优点。本项目铁配合物催化烯烃膦氢化反应构建C-P键的机理和相关合成实验进行了研究。在项目执行期内研究了β-二亚胺基Fe(II)催化分子内膦氢化反应的机理，测试了各种密度泛函以及基组，获得了合适的计算方法；考察了高、低两种自旋态下的反应途径；分析了膦氢化反应的电子结构效应，阐明了其反应机理。此外还合作完成了膦催化乙烯基环丙烷酮的重组反应机理研究，在研究中设计了两种可能的反应途径。在实验研究方面，设计了基于β-二亚胺为中心结构的配体合成方案，完成了相应配体的催化剂的部分合成工作；此外作为拓展研究，合成了一系列香豆素衍生物，通过抑菌活性实验筛选出了几个潜在的先导化合物结构。.项目的重要研究结论如下：.（1）在β-二亚胺基Fe(II)催化分子内膦氢化反应的机理研究中，结果表明主要包含以下几个过程：首先通过催化剂与烯基膦取代烯烃形成二聚体。然后解离和结构形变，与中心Fe配位形成四配位结构，活化烯基的双键。接着P亲核加成双键形成C-P键并关环得到5-exo的马氏加成结构。最后通过氢化作用离去产物，催化剂进入下一个催化循环过程。.（2）在膦催化反应机理的研究中，研究结果表明膦化合物首先进攻环丙烷上的C3位，而不是进攻末端烯烃的C1位。反应过程包含两个阶段：第一阶段是膦化合物诱导SN2型环丙烷开环形成两性离子中间体，然后通过质子迁移形成烯醇型结构；第二阶段是7-endo-trig SN2’型环关形成七元环产物。.（3）在基于香豆素的抗菌农药的活性研究结果中，合成得到了约50个新的衍生物，并进行了活性研究。结果表明大部分化合物对A.Salani 和 A. Alternata两种真菌具有较好的抑制活性。.这些研究结果对深入理解反应的微观过程具有重要的意义，为理性优化催化剂和控制合成具有重要价值。抗菌活性的研究对合成非酰胺类SDHI提供了一种新方案，为解决农药的耐药性具有重要意义，也为我们以后的合成提供了先导化合物。