论文摘要
近年来，过渡金属在工业合成上的广泛应用，如过渡金属和不饱和硅配位得到的化合物在新的有机硅催化反应中作为重要的中间体，硅金属小环化合物的合成已经备受关注，尤其是由硅和过渡金属所组成的三元环化合物，由于其分子结构张力，特殊的成键模式，及其反应的新奇性更是引起了人们的高度重视。目前，人们已经认识到由硅和过渡金属组成的三元环状化合物的作用，并在实验上对该类化合物进行了制备和性质研究；但是，对于该类化合物相关反应的理论研究相对较少。因此，对于含硅过渡金属三元环化合物和某些小分子物质反应的机理，分子结构和成键特征的理论研究将会是一个很有趣并且对实验工作者具有指导意义的课题。本文首先简单介绍了金属有机化学的产生和发展，计算化学的发展及在金属有机化学中的应用和本文计算方法的选择。然后分别研究了含有两个Cp环的不饱和硅的金属三元环配合物和一些小分子物质反应的机理，结构和成键特征。本文采用密度泛函理论中的B3LYP方法，在6-31G及Lan12dz基组水平上，对反应中涉及到的物质（包括反应物、中间体、过渡态和产物）进行了构型优化、频率计算和能量计算。本文首先分别研究了Cp2Zr（η2-SiMe2=NtBu）（PMe3）和H2，H2C=CH2，O=CH2的反应。这三个反应的机理理论上预测是通过两步完成的，先是PMe3从过渡金属Zr上离去，然后是H2，CH2=CH2和CH2=O插入到Zr-Si键之间。从对这三个反应的分析中我们得到下面的结论。三种插入反应的产物相对于反应物Cp2Zr（η2-SiMe2=NtBu）（PMe3）的稳定性顺序是H2＜H2C=CH2＜O=CH2。在前两个反应中H2和CH2=CH2的插入是决速步骤，而在第三个反应中PMe3的离去是决速步骤。只得到了CH2=O配位到Cp2Zr（η2-SiMe2=NtBu）上的前驱化合物，而由H2和CH2=CH2配位到Cp2Zr（η2-SiMe2=NtBu）上的前驱化合物并未得到。由H2插入反应得到的产物Cp2Zr（NtBuSiMe2H）H，研究它的结构发现存在Zr…H-Si agostic作用。和设计的模型化合物Cp2Zr（NH2）H进行对照，详细分析了Cp2Zr（NtBuSiMe2H）H的成键特征。Cp2Zr（NtBuSiMe2H）H和Cp2Zr（NH2）H几何结构的不同是因为不同的成键特性和空间环境。我们还预测由H2插入反应得到的产物的结构不同于由[Cp2ZrHCl]n和LiNtBuSiMe2H·THF反应得到的产物。计算结果还证实CH2=O的插入反应得到的是含有Zr-O键的产物而不是含Zr-C键的产物，这是由于Zr和O原子之间的相互作用比和C原子之间的作用强的多。另外，本文还从理论上研究了Cp2W（η2-Me2Si=CH2）和H2，CH2=CH2，MeOH三者的反应。对于Cp2W（η2-Me2Si=CH2）和H2的反应，我们为其设计了三条可能的反应路径。他们分别涉及到硅的迁移，Cp环的滑移和σ键的交换（σ-bond metathesis）。计算结果显示第一条路径是动力学上最有利的。对于Cp2W（η2-Me2Si=CH2）和CH2=CH2的反应，我们设计了两条可能的路径。他们也分别涉及到硅的迁移和Cp环的滑移。结果发现还是涉及到硅的迁移的第一条路径更有利。对于最后一个反应，Cp2W（η2-Me2Si=CH2）和MeOH的反应，我们仅仅为其设计了一条路径，经过σ键的交换来完成。计算结果从理论上证实这条路径在实验条件下是可行的。