钯催化的氟化和三氟甲基化反应机理的理论研究

Organofluorine compounds have been widely used in pharmaceuticals, agrochemicals, materials and biology. Transition metal, especially palladium-catalyzed C-F and C-CF3 bond formation reacions are among the efficient routes for the prepartion of organofluorine compounds and have achieved great progress in recent years. However, these reactions face great challenges. The relatively low yields, narrow substrate scope and harsh reaction conditions encountered with these reactions have prevented their further developments and widespread applications. Mechanistic studies can provide essential information that is valueable for the improvement of these reactions. In this respect, quantum mechanical calculations can provide information that may otherwise be impossible or difficult to obtain by experimental means, for example, the structures and energetics of many critical intermediates and transition states,the reaction coordinates of a whole catalytic cycle, the determination of the rate-limiting step and the electronic and ligand effects for the catalytic cycle. Therefore, in this project we will systematically study the structures (including both geometries and electronic structures) and reactivities of transition metal fluorides and trifluoromethyls, for example, reductive elimination of some key Pd(II) and Pd(IV) fluoride and trifluoromethyl complexes, transmetalation step, alpha-fluorine elimination step and others by using quantum mechanical calculations. On the basis of these studies, we will focus on mechanistic issues of some recent important palladium-catalyzed C-F or C-CF3 bond-forming reactions, including their reaction pathways, the determination of the rate-limiting steps and electronic and ligand effects for these reactions. These studies should be valuable for the understanding and further development of transition metal-catalyzed fluorination and trifluoromethylation reactions.

含氟有机物用途及其广泛，在药物，农药化学，材料学以及生物学中有重要的应用。过渡金属，特别是钯催化的C-F键和C-CF3键生成反应是及其重要的制备含氟有机物的方法。目前，这些反应仍然面临很多挑战：底物范围狭窄，反应条件苛刻，产率不高等。对于这些反应的机理研究将为进一步发展这些方法提供指导。量子力学计算的手段在这方面可以获得很多实验手段所难以或无法获得的信息，如关键的中间体和过渡态的结构和能量信息，以及整个反应的催化循环能量图和决速步中的电子和配体效应等。所以，本项目拟系统地研究过渡金属特别是钯氟化物和三氟甲基化物的结构和反应性。在此基础上，去研究解决一些重要的过渡金属催化的C-F键和C-CF3键生成反应中的机理问题，如反应路径的获得，反应的决速步的确定，决速步中的电子效应和配体对催化循环的影响等。这些研究对于我们深刻理解和进一步发展过渡金属催化的氟化和三氟甲基化反应具有重要价值。

过渡金属促进的氟化和三氟甲基化反应是制备有机氟化合物的重要方法，近年来得到了很大的发展。但是关于溶液中活性的金属氟化物或三氟甲基化物中间体的结构和反应性的研究仍然较少。这个问题是过渡金属促进的氟化和三氟甲基化反应的一个核心问题。本项目就是要对这个基本问题进行深入的研究，主要是利用理论计算的方法，同时结合一些实验工作，对于一些重要的钯和铜氟化物和三氟甲基化合物的结构，反应性，一些重要基元反应的反应机理进行研究。具体地，我们 1）对二价Pd(II)三氟甲基化合物的电子结构，反应性，以及Pd(II)上的还原消除这个关键步骤进行了系统的理论研究，我们的研究发现二价钯上的Ar-CF3还原消除遵循一个典型的协同的三元环过渡态机理，活化能很高，这就解释了为什么一般情况下Pd(II)还原消除得到Ar-CF3非常困难。同时我们研究发现，α-F还原消除对于很多配体来说，比直接Ar-CF3还原消除要容易得多，这就导致会生成一些Ar-F以及磷配体分解的副产物的生成。我们还研究了可能的双分子配体交换反应，得到Ar-Ar联芳烃副产物，结果表明这个反应是较为容易的。这些结果就很好地解释了实验中观察到这些副产物的原因。在此基础上我们对配体和电子效应的系统研究表明，对于大部分磷配体该直接还原消除都比a-F消除难，除了Xantphos, Brettphos和(CF3)2P(CH2)2P(CF3)2这3个配体。电子效应比较琐细，难以发现一个系统的规律。2）三价铜三氟甲基化合物的制备和反应性的研究。这个方面我们合成了一系列Cu(III) 三氟甲基化合物，并研究了它们的结构，反应性。这些Cu(III) 三氟甲基化合物根据辅助配体的不同，可以是三角双锥或平面四方构型，可以是中性或离子对形式。另外，它们能与卤代芳烃，芳基苯硼酸等发生取代反应，生成相应的三氟甲基化的芳烃。除此以外，我们还研究了一些相关的过渡金属-氟化物相关的基元反应机理和反应发展。这些研究为我们了解溶液中的活性金属三氟甲基化物，它们的反应特性，以及反应机理等提供了非常有价值的信息，为丰富和推动过渡金属有机氟化学的发展应该具有重要的作用。