溶剂与DBU催化绿色有机合成反应机理的密度泛函理论及QM/MM研究

Green chemistry is the development direction of chemistry in the future, especially for the increasingly serious ecological environment in our country. Thus, great efforts have been devoted by the synthetic chemists to the field of green chemistry to explore alternative reaction conditions and reaction medium. 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU) is an super-strong tertiary amine base. It has been widely used as an effective catalyst in many organic syntheses, because of the less corrosion for equipment, fewer amounts of residues generated and excellent reusability. Recently, many researches also showed that DBU acts as non-nucleophile and base to catalyze the organic reaction, and the catalytic activity of DBU improved considerably in water. In this project, we will investigate mechanisms of three kinds of classical DBU-catalyzed organic reaction by employing DFT and QM/MM methods. On the basis of the investigation of the reaction mechanism, we will disclose the effect of solvent on the activity of DBU, the origin and interaction of the combination of the DBU and solvent, to explain the experimental phenomena. More importantly than above all, we will investigate and correct the effective structure of catalyst DBU-H2O and develop the high efficient auxiliary. These results are valuable for the optimization of reaction conditions for green chemical synthesis, especially in efficient solvent and base catalyzed metal-free organic syntheses.

绿色化学是化学发展的必然方向，尤其面对我国日益严峻的生态环境，化学家们有责任致力于探究绿色合成的实验条件与介质。双环眯1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene(DBU)是强的中性有机碱，由于其具有腐蚀设备轻、原料利用率高、可循环使用等优点而广泛的应用于新颖有机化学合成。近期研究发现DBU在有机化学反应中作为碱和亲核试剂催化反应，特别是水条件下催化活性更高。本项目利用DFT和QM/MM方法，选择三类新颖的DBU催化有机化学反应进行机理研究。从原子水平上对反应机理进行探究，揭示溶（助）剂对DBU催化活性的影响、DBU和溶剂对有机反应共催化的本质及其相互作用模式，为复杂实验现象提供合理依据。同时探究和修正DBU-H2O复合物有效催化剂结构，寻找提高DBU催化活性的有效助剂。为无金属催化的有机化学反应提供理论指导，进而为绿色化学合成筛选并优化实验条件。

开发新型原子经济反应已成为绿色化学的热点研究领域，催化剂是化学可持续发展的关键。本项目采用DFT和QM/MM方法研究了系列新颖的DBU催化、有机催化、及金属催化的有机合成反应。系统探究了易被忽视的实验反应条件（溶剂、碱、助剂、H2O）对催化剂催化活性及反应机理的影响。研究发现反应条件与催化剂之间通过非供价相互作用与底物形成不同结合模式促进了反应的发生，提高了催化剂的催化活性。且溶剂极性对反应活化能垒有明显影响，能有效降低活化能垒并稳定过渡态结构。通过分析反应底物与催化剂和助剂间的本质结合模式进而优化反应条件，理论结合实验实现了绿色合成反应。这对于理解和设计高效的有机小分子催化新颖反应具有重要作用，为实验上无法解释的实验现象及机理解释提供有价值的理论指导。详细探究了痕量水协助DBU催化NBS对查尔酮胺化的二元体系反应机理及水在该反应中的作用。不同于实验上提出的DBU催化直接胺化机理，在该反应中我们发现了一条更优的DBU和水共催化机理。此外，探究了DBU催化α-氨基酮化合物和重氮基乙酸乙酯（EDA）反应的DBU有效活化模式。计算结果表明，DBU作为碱和催化剂通过DBU•[DBU-H]+-DMF-H2O或DBU•[DBU-H]+-DMF形式优先活化EDA而不是作为亲核试剂首先活化α-氨基酮化合物。同时，我们发现DBU和DMF不仅可作为碱和溶剂，还可作为关键催化剂促进整个反应。水做锚定剂，稳定剂和催化剂可以有效改善二元或三元体系中DMF和DBU的催化活性。该发现在提高反应效率和深入指导实验合成方面起重要作用。最后，通过优化反应溶剂，DFT计算结合实验实现了HBr催化类傅克烷基化反应高产率的“on water”反应，为联萘酚衍生物的合成提供了一种有效并绿色的合成策略。