不对称催化是化学合成的重要领域之一,是开发新型手性药物、材料等的重要手段。2001年的诺贝尔化学奖被授予了在该领域做出了突出贡献的三位科学家。近年来,有机小分子催化剂受到越来越多的关注,已经成为化学领域继金属催化剂之后的又一研究热点。由于不对称有机催化对产物的高效性和高选择性,使其成为构建分子骨架的重要工具,在有机合成、制药业中都发挥着巨大作用,为医药、化学、材料和生物学的发展提供了广阔的应用前景。不对称有机催化的实验研究和理论研究,不仅能丰富有机化学学科内容,还能造福于人类,具有重要的理论与实际意义。近年来不对称有机催化反应的理论研究受到了广泛的关注,从分子、原子水平上研究不对称催化反应的机理,有助于了解有机小分子催化反应的反应过程,预测反应的中间体和过渡态的结构及其相对稳定性,解释不对称催化反应的立体选择性,也可以用来设计实验和催化剂。论文运用量子化学的方法研究了含氮类有机小分子催化剂催化的四个不对称反应体系,给出了催化反应的分子机理,揭示了有机催化剂催化作用的微观本质,阐明了反应的对映选择性、非对映选择性和区域选择性的本质,揭示了催化剂官能团对催化活性和选择性的影响,改进了人们对一系列含氮有机小分子催化剂催化不对称有机反应机理的认识,为新型、高效催化剂的研发提供了一定的理论指导。论文主要内容包括如下几个方面：1.概述了不对称有机催化实验和理论研究现状,描述了不对称有机催化的通用机理(共价键合和非共价相互作用)。在有机催化的实验工作方面,已经有大量的关于新型催化剂合成、不同类型的催化反应的文献报道。现在正是有机催化研究的黄金时期。不断地寻找新的高效率、高选择性、高适应性的有机催化剂是科学工作者孜孜不倦追求的目标。2.用密度泛函理论研究了手性伯、叔二胺催化剂(反式-N-N-2-甲基环己二胺)催化的脂肪酮与对硝基苯甲醛直接Aldol反应的立体选择性。考察了酮类与催化剂形成的烯胺中间体进攻醛的碳碳加成步骤的反应通道,提供了详细的小分子酮和醛发生不对称羟醛缩合反应的形成碳碳键的机制,找到了立体控制步骤所有可能存在的过渡态构型,提供了详细的反应过程,获得了控制反应立体选择性的关键因素。计算结果显示：丙酮底物倾向于产生S构型的产物；丙酮则倾向于产生具有syn立体选择性的支链产物；环己酮则倾向于得到anti选择性的产物。发现基团间的空间效应对反应的对映选择性和非对映选择性有重要影响,合理解释了反应的立体选择性。3.用密度泛函理论详细研究了含多重氢键的氨基-硫脲催化的硝基化合物之间的不对称Michael加成反应。结果显示氨基-硫脲催化的反应机制首先是活化反应底物,形成氢键络合物,接着发生Michael加成,形成C-C键,最后发生质子转移,伴随着氢键配合物的解离释放出最终产物和催化剂。论文详细研究了催化反应的多条反应通道,它们对应着亲核试剂和亲电试剂不同的配合方式以及反应过程中氢质子的转移方式。计算结果发现,决定立体选择性的关键步骤是C-C键的形成。理论结果合理解释了实验观察到的高syn选择性。4.用密度泛函方法详细研究了含多重氢键的氨基-硫脲催化剂催化的nitro-Mannich反应的立体选择性。计算结果给出了反应的详细过程：硝基化合物首先以多重氢键与催化剂结合,强的氢键作用稳定了配合物；接下来醛亚胺进攻氢键络合物,进行C-C加成反应,醛亚胺的不同进攻面导致了反应产物的立体异构。计算得到了不同的反应途径,顺式C-C加成产物的稳定性明显低于反式C-C加成产物,且需要跨越较高的能垒,因此在热力学和动力学上均是不利的过程。计算结果和实验结果吻合良好。5.通过密度泛函理论计算,研究了氯代苯基硫脲催化的硝基苯乙烯与硫叶立德的Michael加成反应,弄清了硫脲催化的微观反应机理,确定了控制反应立体选择性的C-C键形成步骤的过渡态结构,计算了过渡态的相对能量和反应势垒,探讨了硫脲催化剂催化性能的微观本质.结果表明,反应有利于反式Michael加成产物的形成,硫脲催化剂在反应中作为质子给体,首先与质子受体硝基苯乙烯形成双氢键配合物,通过授受体间的电荷转移活化硝基苯乙烯的β-C原子增强其亲电性,有利于硫叶立德的亲核进攻。本论文的主要创新点如下：1.找到了控制手性二胺催化剂催化的不对称Aldol加合反应立体选择性的关键,给出了反应三种选择性(区域选择性、对映选择性、非对映选择性)的微观本质。2.详细描述了多氢键胺类催化剂催化的不对称反应的机理,阐明了该催化剂在不同的反应如Michael加成、nitro-Mannich反应中的角色,找到了催化剂控制反应立体选择性的分子机制。3.研究了氯代苯基硫脲催化硝基苯乙烯与硫叶立德的Michael加成反应,弄清了氯代苯基硫脲催化的微观反应机理,确定了控制反应立体选择性的C-C键形成步骤的过渡态结构,探讨了硫脲催化剂催化性能的微观本质。有机催化剂的种类以及有机催化反应数量目前开发的还比较有限。大部分有机催化反应对反应底物依赖性比较大,底物结构稍有改变就有可能导致产率和对映选择性的大大下降。如何使催化剂更具有普遍适用性,提高基团的兼容性,提高催化选择性(包括化学选择性、区域选择性、立体选择性),仍然是科学工作者面临的挑战性问题。本文的研究取得了一些具有创新性研究成果,对相关的实验研究有重要的指导作用。
