Ni（0）络合物催化CO2与苯亚甲基环丙烷耦合反应的理论研究

论文摘要

目前能源与环境问题是全球普遍关注的焦点，由于工业碳源的日趋短缺和环境问题的日益严重，将二氧化碳运用化学手段转化成有用的化工产品受到了广泛的关注。在CO2的化学固定方面，利用二氧化碳与不饱和化合物耦合得到羧酸是最具前景的方法之一。在过去，人们不断探索研究催化二氧化碳与不饱和化合物耦合的各种类型的催化剂。但是，单纯依靠实验手段不能观察到反应的过渡态，很难检测到反应中生成的所有中间体，所以到目前为止比较完整的、详实的反应机理研究仍然比较少见。量子化学作为一种有效的研究手段能够和实验方法相结合，对反应机理进行全面的、彻底的理解。本论文旨在采用B3LYP密度泛函理论方法深入地认识Ni（0）络合物催化CO2和苯亚甲基环丙烷羧化反应的机理，重点阐明影响产物选择性和反应能垒的各种因素，从而为实验研究提供理论指导。主要研究内容及结论如下：（1）CO2和苯亚甲基环丙烷的耦合反应主要是通过解离机理即单配体机理来进行的。这是因为此反应中底物苯亚甲基环丙烷和配体的体积都比较大，在双配体机理（结合机理）中，中间体和过渡态的结构都很拥挤，使得配体和苯亚甲基环丙烷之间存在较大的空间位阻，导致反应需克服较高的能垒，所以反应按照单配体机理进行。（2）自洽反应场模型（SCRF）计算表明当1,8二氮杂二环[5.4.0]-7-十一烯（DBU）被用作胺配体时，在甲苯溶剂中，反应按照路径Ⅰ进行，生成产物A，反应过程是：（ⅰ）苯亚甲基环丙烷的双键与Ni中心配位形成π-络合物1A；（ⅱ） CO2插入Ni–C键形成五元环金属络合物2A，这一步也是反应的速控步。在极性较强的乙腈溶剂中，反应是沿路径Ⅱ进行的。此时乙腈分子作为配体参与了反应，使得路径Ⅰ和Ⅱ的势能面在零点以下。两条路径的能垒都很容易克服，最终产物A和B的分布由热力学因素来决定。此反应路径包括如下步骤：（ⅰ）形成π-络合物1A；（ⅱ）乙腈和DBU发生配体交换得到1Aac；（ⅲ）具有一个乙腈配体和一个DBU配体的1Aac异构化形成四元环金属络合物2Bac；（ⅳ） CO2插入Ni-Csp2键得到六元环羧酸4Bac。路径Ⅱ的速控步是1Aac异构化形成2Bac的过程。（3）以1,5,7-三叠氮双环[4.4.0]癸-5-烯（MTBD）为配体，计算结果显示随着溶剂极性的增强，生成产物C的路径Ⅲ速控步能垒逐渐降低。这与实验上随着溶剂极性增强，产物C的产率逐渐增加一致。但是计算结果表明，不论在何种溶剂中，路径Ⅲ的能垒都不是最低的，与实验结果不吻合。这可能是由于我们所使用的B3LYP方法超估了过渡态的能垒。路径Ⅲ的反应过程前三步与路径Ⅱ的完全相同，不同的是第四步中CO2插入的是Ni-Csp3键，得到一个新的六元环羧酸。（4）同一条路径使用MTBD配体要比使用DBU的能垒低。此外，在整个反应中DBU配体中的七元环采用的是对称结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义和背景
• 2与碳碳不饱和化合物的耦合反应研究'>1.2 CO₂与碳碳不饱和化合物的耦合反应研究
• 1.3 本论文主要内容
• 2 理论基础
• 2.1 概述
• 2.2 薛定谔方程与三个基本近似
• 2.3 密度泛函理论
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.3.2 Kohn-Sham 方程
• 2.4 基组
• 2.5 振动频率
• 2.6 内禀反应坐标理论
• 2.7 溶剂化效应
• 2与苯亚甲基环丙烷耦合反应的理论研究'>3 Ni（0）络合物催化 CO₂与苯亚甲基环丙烷耦合反应的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 MTBD 为配体
• 3.3.2 DBU 为配体
• 3.3.3 同一配体三条不同反应路径（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的比较
• 3.3.4 配体的影响
• 3.3.5 溶剂化效应
• 3.4 结论
• 致谢
• 参考文献