过渡金属铁钌催化的C-H键活化反应的理论探索

C-H键活化一直以来是化学研究领域中的最感兴趣的问题之一。随着绿色化学的兴起，高效、有选择性的对C-H键进行活化成为当前亟待解决的问题。基于目前对Fe、Ru催化C-H键机制认识上的不足，本项目拟用理论化学方法深入研究铁钌催化C-H键活化的动态过程和电子结构性质。通过构建催化活性中心反应模型，对各选择性耦合作用的协同性进行理论表征，结合电荷布局分析及分子间、分子内各类强弱相互作用，探讨金属离子价态和自旋态、d轨道形变、配体因素和溶剂环境等对催化机制的影响，找出铁、钌催化剂催化C-H键活化复杂性的根源，揭示铁、钌催化C-H键活化过程中的微观反应机理，总结规律，建立一套恰当、合理的过渡金属催化体系的理论研究方法和路线。本研究可为设计新型低分子"绿色"铁、钌催化剂提供理论依据，对优化铁、钌催化过程、开发新型功能生物分子等分子器件以及对催化过程实现人工智能调控都具有非常重要的理论指导意义。

如何采用具有低毒或无毒、环境友好等优良性质的铁钌催化剂，实现高效、有选择性的C–H/X键活化是化学领域的一个重要挑战。本项目采用理论化学计算方法，通过构建催化活性中心反应模型，深入研究了铁钌化合物对不同类型C-H/X键的活化过程及活化过程中的电子转移性质，结合电荷布居分析、分子的拓扑结构和活化反应性之间的关系，确定了适用于铁钌等过渡金属体系的密度泛函理论方法，建立了一套恰当、合理的理论研究路线。通过金属离子价态和自旋态、d轨道形变、配体因素等对催化机制的影响，找出了铁、钌催化剂催化C-H键活化反应复杂性的根源，确定了计算过渡金属轨道跃迁的有效方法，得到精确的电子转移途径，从而确认反应机制。揭示了铁、钌催化C-H键活化过程中的微观反应机理，研究金属中心不同价态、轴向和平面配体对机理的影响。讨论了铁络合物活化C-H键过程中，修饰配体和底物的推拉电子能力对反应能垒的影响，从而在反应活化能垒和微观机制、立体效应上产生相应作用。本项目对功能生物分子器件的研发以及催化过程的人工智能调控都具有非常重要的理论指导意义。