手性Al-Schiff碱催化C=O和C=N双键氢膦酰化反应机理研究

光学活性的α-羟基和α-氨基膦酸酯是重要的有机合成中间体，C=O和C=N双键上的不对称氢膦酰化反应是获得这类化合物的简便方法之一。本项目拟采用量子化学计算方法，研究几种催化剂作用下典型羰基和亚胺化合物与亚膦酸酯之间的氢膦酰化反应机理，探明催化反应进行的各种可能路径，确立反应机理及相应的势能曲线，进一步考虑溶剂化效应，预测反应动力学特征。研究手性配体结构特征的改变对催化剂活性及反应对映选择性的影响，并研究含不同取代基的羰基、亚胺及亚膦酸酯反应机理的异同。通过对数据的分析归纳，与实验结果进行比较关联，明确手性Al-Schiff碱配合物催化剂的活性位点及影响反应对映选择性的关键，探明反应底物的电子效应和空间结构与催化剂之间的匹配关系，总结出高对映过量与催化剂结构之间的普遍规律，对深入认识相关合成反应，研制高效的C=O和C=N双键上不对称氢膦酰化反应催化剂具有重要意义。

光学活性的α-羟基和α-氨基膦酸酯是重要的有机合成中间体，C=O 和C=N 双键上的不对称氢膦酰化反应是获得这类化合物的简便方法之一。根据研究计划，我们采用DFT和ONIOM方法，对典型的Schiff配体与金属铝试剂形成的配合物催化剂作用下的氢膦酰化反应进行了研究，详细考察了反应机理及立体选择性。理论研究表明催化循环由三个基元反应构成： 1)由 P-H键的活化形成Al-亚磷酸酯物种； 2)亚磷酸酯对苯甲醛的亲核加成生成C-P键； 3)形成α-羟基磷酸酯产物及水杨醛‒Al(III)配合物的再生，其中C-P键的形成步骤不仅是整个反应的速率控制步骤，同时也是立体选择性控制步骤。底物苯甲醛与手性配体邻位取代基金刚烷之间的排斥作用是影响产物立体选择性的关键因素。理论研究揭示了催化反应活性物种为二聚体水杨醛-Al配合物，通过反应能垒及催化循环中的转化数的比较，揭示了其在催化反应中表现出高反应活性及催化转化效率的原因。此外，我们也考察了C=O和C=N双键底物的另外三种重要的加成反应，即：C=N双键的氰基加成反应(Strecker反应)，C=O双键的烯丙基化反应及氮氧化合物催化下酮的Baeyer-Villiger 氧化反应。在Ti配合物催化不对称Strecker反应机理研究中，提出了反应的双活化机理。同时，理论模拟很好地揭示了高效的自组装Ti催化剂的结构及手性口袋的特点，阐明了不对称活化现象产生原因。在锌化合物催化酮与烯丙基硼酸酯的烯丙基化反应机理研究中，计算结果表明反应经由双加成分步机理比Lewis酸催化的分步机理更为有利，四配位硼中间体是反应的活性物种，且硼锌金属置换步骤是反应的速率控制步骤。计算阐明了醇添加剂能参与高反应活性物种的形成，并很好地解释了实验所观察到的反应活性数据。在氮氧偶极-钪(III)配合物催化的不对称Baeyer-Villiger 氧化反应中，初步解释了有机酸在催化反应中的作用：一方面参与Sc3+中心离子的配位形成催化活性物种，另一方面通过构建合适的氢键网络促进反应中的质子转移。同时，通过能量分解分析从理论上解释了添加剂的酸性对反应过程中过渡态结构及能量的影响。本项目共发表论文13篇，其中SCI收录论文7篇(含 J. Am. Chem. Soc. 1篇，Chem. Eur. J. 4篇)。