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均相过渡金属催化是构建多种有用复杂复合物重要方法,在有机合成领域备受关注。特别是,过渡金属催化的炔烃环异构化反应已经发展成为合成碳环或杂环化合物的重要措施之一,广泛应用于复杂分子和天然产物的有机合成。在该领域,选择性地合成不同碳环或者杂环化合物,仍是科学工作者面临的挑战性课题之一。近年来,理论与计算化学已成为解释和预测实验结果、理解化学反应性能的重要手段,在金属有机化学领域占有重要地位。本文选择金、铂等过渡金属催化的一系列炔烃环化反应为研究对象,通过密度泛函理论为基础的量子化学计算,开展了深入、系统的理论研究,探讨了反应的分子机制,研究了反应的热力学和动力学性质,阐明了金属配体、抗衡离子、催化剂、溶剂和反应物计量比等重要反应参数对反应性能的影响,弄清了控制反应选择性的关键因素和微观本质,合理解释了一系列实验现象,为设计和开发新型催化体系奠定了重要的理论基础理论指导。本论文的主要内容和创新成果如下:一、研究了Au(Ⅰ)催化剂调控的炔基环氧乙烷合成硼呋喃的反应。计算结果阐明了反应的详细机理,解释了两种金催化剂调控反应区域选择性的原因。计算发现,整个催化循环主要包括两个阶段:炔基环氧乙烷的扩环和1,2-H或1,2-B迁移生成C3-硼或C2-硼呋喃。炔基环氧乙烷扩环是整个反应的瓶颈步,然而,不同的迁移过程是决定反应区域选择性的关键步。其中,炔基环氧乙烷扩环过程会伴随着B(MIDA)基团的迁移得到间位取代的呋喃杂环正离子中间体。此扩环过程是经过环氧乙烷单元的σ-活化机理而不是实验作者猜测的炔基单元的π-活化机理。催化剂的抗衡离子和配体对环氧乙烷的扩环过程影响不大,但对于区域选择性生成不同位置硼呋喃是至关重要的。当选用OTf-为抗衡离子,(ArO)3P为配体时,有利于发生1,2-H迁移生成C3-硼呋喃;当选用SbF6-为抗衡离子IPr为配体时,有利于发生1,2-B迁移生成C2-硼呋喃。理论结果合理的解释了实验所观察到的区域选择性,并为含硼炔基环氧乙烷的迁移环异构化机理提供了关键见解。二、研究了配体调控的均相金催化炔烃发生不同区域分子内芳氢化的反应。我们以具有代表性的炔烃(N-丙炔基-N-甲苯磺酰苯胺)为例,对采用不同配体的金催化剂催化的炔烃的邻位和对位芳氢化反应进行了详细的理论研究。计算结果表明,邻位和对位芳氢化反应都经历一个相似的三阶段反应机理:亲电环化,质子抽提和质子脱金过程。最初的亲电环化步被确定为速率和区域选择性的决定步。受配体的电子和空间特征影响,不同的配体会导致不同的区域选择性。对于柔性缺电性的亚磷酸酯配体,邻位环化被确定为最有利的路径;然而,对于刚性的富电子的膦(Xphos)配体,主要沿着对位环化路径进行。理论计算的结果与实验观察的结果非常吻合。理论分析发现,炔苯基和定向基团酰胺基之间的π-π相互作用是导致邻位选择性的主要原因;然而,Xphos配体与炔基之间的非共价CH…π相互作用以及配体与底物之间的空间排斥作用共同导致了唯一的对位选择性。目前的计算结果不仅很好的阐明了炔烃芳氢化反应的机理,而且对其区域选择性的根源进行了深入的探究。三、研究了化学计量比调控的金(Ⅰ)催化炔丙醇与端炔经分子内缩合生成不同环醚骨架的反应。计算结果表明,该反应主要涉及三个阶段:反应最初炔丙醇R1经分子内环化生成乙烯醚中间体R1’,R1’与苯乙炔R2反应经氢化炔基化生成C-2-芳炔基环醚Pi,最后P1扩环得到2,3-二氢-二苯恶庚英P2。此外,通过DFT计算,我们揭示了反应物化学计量比控制化学选择性的根源:金催化剂对不同反应阶段的催化活性不同。当反应物化学计量为1:3时,Pi为主要产物,而计量比为1:1.1时,P2为主要产物。当反应物化学计量比为1:3时,过量的R2在Au(I)催化下容易发生的二聚和/或水合,从而阻碍了 Pi向P2的转化,导致Pi为主要产物。在没有过量的R2存在时,Au催化遵循一般的串联反应,生成产物P2。理论结果描述了通过改变反应物化学计量比来控制化学选择性的一般策略。对于正在探究高化学、区域和对映选择性合成方法的化学家来说,这一策略可能具有较好的启发意义。四、研究了催化剂调控的邻-炔基苯甲酰胺经环化反应生成不同苯并杂环化合物的反应。计算结果很好地再现了实验结果,即Au(Ⅰ)催化剂有利于O-进攻;相反,当PtCl4或碱作为催化剂时,N-环化模式是有利的。在Au(Ⅰ)催化体系,有利的O-环化源于羰基-O的孤电子对轨道与炔烃的π*-轨道之间较强的成键相互作用,而配体的电子特性调控着O-5-exo-dig或O-6-endo-dig选择性环化。在PtCl4催化体系,有利的N-环化归因于羰基-O的配位能力强于氨基-N的配位能力,其阻碍了O-进攻,而区域选择性(N-6-endo-dig vs N-5-exo-dig)取决于氨基-N和炔基-Cβ原子间的强静电相互作用。在碱催化情况下,O-5-exo-dig环化存在较大构型畸变导致N-5-exo-dig环化比O-5-exo-dig环化更有利。目前的计算结果从分子水平上提供了详细的反应机制,且揭示了实验观察到的高度选择性的根源。