自由基環(huán)合反應(yīng)的理論研究.pdf

1、自由基化學(xué)在生命科學(xué)和有機(jī)合成領(lǐng)域已經(jīng)確立了其不可或缺的地位。目前，導(dǎo)向有機(jī)合成的自由基反應(yīng)研究已成為自由基化學(xué)的主流，自由基方法在復(fù)雜天然產(chǎn)物合成中的應(yīng)用成為自由基化學(xué)的重要發(fā)展方向。然而，自由基反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用還不夠系統(tǒng)和深入。限制其應(yīng)用的主要因素是對自由基反應(yīng)的選擇性和普適性研究不足。本論文從自由基反應(yīng)的區(qū)域選擇性著手，對導(dǎo)向有機(jī)合成的自由基環(huán)合反應(yīng)進(jìn)行理論研究。發(fā)展基于第一性原理的科學(xué)計(jì)算方法并將其用于自由基環(huán)合反應(yīng)。

2、 論文第一章概述了自由基化學(xué)的歷史背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并對自由基環(huán)合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及理論背景進(jìn)行了介紹。 論文第二章簡要介紹了計(jì)算化學(xué)的應(yīng)用及一些常用的計(jì)算化學(xué)方法，如密度泛函理論、多體微擾理論、組態(tài)相關(guān)理論、耦合簇理論、模型化學(xué)方法及分子力場方法。對本論文使用的主要計(jì)算方法--密度泛函理論進(jìn)行了詳細(xì)介紹。 論文的第三章，首次運(yùn)用計(jì)算化學(xué)的方法對聯(lián)烯自由基的環(huán)合反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。雙層ONIOM(QCI

3、SD(T)/6-311+G(2df，2p)：UB3LYP/6-311+G(2df，2p))方法得到的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致。利用Marcus理論進(jìn)行分析，得到的結(jié)論是生成烯基自由基產(chǎn)物的本征能壘低于生成烯丙基自由基產(chǎn)物，而生成烯丙基自由基產(chǎn)物卻是熱力學(xué)有利的。4,5-二烯-己基自由基的聯(lián)烯位置發(fā)生取代時，環(huán)合反應(yīng)的區(qū)域選擇性不受取代基的影響，環(huán)合主要生成五元環(huán)的烯丙基自由基產(chǎn)物。5,6-二烯-庚基自由基的聯(lián)烯位置發(fā)生取代時，取代基

4、效應(yīng)對環(huán)合反應(yīng)選擇性的影響顯著，CN和COMe等具有自由基穩(wěn)定效應(yīng)的取代基甚至可以完全改變環(huán)合反應(yīng)的區(qū)域選擇性。 論文的第四章，對含C=N雙鍵的亞甲氨及亞氨的自由基環(huán)合反應(yīng)進(jìn)行了研究。通過理論計(jì)算對影響自由基與C=N雙鍵進(jìn)行環(huán)合時親氮或親碳選擇性的各種因素進(jìn)行系統(tǒng)的討論。結(jié)果表明4-亞甲氨基-丁基自由基傾向于得到親碳的環(huán)合產(chǎn)物。雙鍵末端的碳原子上連有不同取代基時，取代基效應(yīng)對環(huán)合反應(yīng)選擇性的影響顯著，Ph、CN和COOEt等具有

5、自由基穩(wěn)定效應(yīng)的取代基使反應(yīng)的選擇性發(fā)生改變。5-亞氨基-戊基自由基環(huán)合反應(yīng)的選擇性與Baldwin-Beckwith規(guī)則一致，反應(yīng)通過選擇性的“親碳”過程得到5-exo環(huán)合產(chǎn)物。 論文的第五章，使用密度泛函方法在UB3LYP/6-311++G(3df，2p)水平上對自由基環(huán)化合成β-內(nèi)酰胺的四種反應(yīng)途徑進(jìn)行理論研究。結(jié)合Marcus理論對影響反應(yīng)的熱力學(xué)及動力學(xué)因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氨基甲?；杂苫?-exo環(huán)合反應(yīng)是理想的動力學(xué)

6、控制過程；酰胺自由基的4-exo環(huán)合反應(yīng)與5-endo環(huán)合反應(yīng)相比是動力學(xué)有利的轉(zhuǎn)化過程；單取代的酰胺烷基自由基的4-exo環(huán)合反應(yīng)是一類動力學(xué)和熱力學(xué)都較為不利的反應(yīng)：羰基自由基加成亞胺N=C雙鍵的4-exo環(huán)合反應(yīng)與5-endo環(huán)合反應(yīng)相比動力學(xué)不利而熱力學(xué)有利。 論文的第六章，我們首次對環(huán)丁基甲基自由基重排反應(yīng)的選擇性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。雙層ONIOM(QCISD(T)/6-311+G(2df,2p)：B3LYP/6-3

7、11+G(2df，2p))方法的使用提高了預(yù)測環(huán)丁基甲基自由基開環(huán)及擴(kuò)環(huán)過程的能壘的可靠性，精確度達(dá)到0.3kcal/mol。單環(huán)環(huán)丁基甲基自由基重排反應(yīng)的區(qū)域選擇性很容易判斷，只需要比較兩種碳自由基產(chǎn)物的相對穩(wěn)定性即可。雙環(huán)環(huán)丁基甲基自由基既可能進(jìn)行開環(huán)也可能發(fā)生擴(kuò)環(huán)過程。當(dāng)自由基中心位于雙環(huán)的橋甲基時，擴(kuò)環(huán)過程占主導(dǎo)地位，但是與橋甲基相鄰的環(huán)丁基上存在能夠穩(wěn)定自由基的取代基時，重排以開環(huán)為主。另一方面，當(dāng)自由基中心位于雙環(huán)環(huán)丁基甲基