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催化剂催化硝基烯烃与硫代乙酸的加成 ———————————————————————————————— 作者： ———————————————————————————————— 日期： 氮亚磺酰(硫)脲催化剂催化硝基烯烃与硫代乙酸的加成 1引言 含硫化合物存在于所有的有机体中，并且它们在生物化学及医药领域中有着重要的应用sulfa-Michael加成反响是引入硫元素的一类重要的反响，其产物中的C-S键可以转换成SH基团[1]，所以sulfa-Michael加成反响也是合成很多药物如：青霉素，维生素，硫康唑〔临床上抗真菌的药物〕的多功能中间体[2-4]。近些年来，大多数的研究采用硫醇作为Michael加成反响的亲核试剂[5-7],但是研究说明，加成反响产物中的C-S键转换成SH基团需要很苛刻的条件。随后，科学家发现用硫代酸作为Michael加成反响的亲核试剂时，产物中的C-S键在一些简单的条件下就能转换成SH基团[1]，所以用硫代酸作为sulfa-Michael加成反响的亲核试剂具有重要的研究价值。然而，对于不对称的sulfa-Michael加成反响，由于其自身C-S键的形成需要很苛刻的条件，所以寻找高催化活性和高对映选择性的催化剂仍是一个重要的挑战[8-11] 近年来,手性双官能团(硫)脲衍生物作为有效的有机催化剂已被广泛的应用于许多重要的有机反响中[12-15]。一些研究小组也开场了对双官能团(硫)脲催化剂催化机理的理论研究，研究说明，双官能团(硫)脲衍生物催化剂的(硫)脲基团和叔氨基可以与反响物通过多重氢键相互作用从而同时活化亲电试剂和亲核试剂[16-19]。2006年，新墨西哥大学的王伟小组首次把Takemoto设计的硫脲催化剂[20,21]运用到了硫代酸与硝基烯烃的Michael加成反响[22]中〔Scheme3.1(a)〕,实验结果说明，反响的产率在90%左右，反响得到对映选择性在70%左右，R构型的产物为优势产物。实验中还对当亲核试剂为硫代苯甲酸时反响做了测试，结果说明双官能团硫脲催化剂催化此反响没有对映选择性。该小组还预测了双官能团(硫)脲催化剂催化硫代酸与硝基烯烃加成反响的机理〔Scheme3.1(b)〕。 2007年，Ellmanetal. 在(硫)脲催化剂的根底引入了一个既是酸性基团又是手性基团的亚磺酰基团，从而合成了一种新型的多立体中心催化剂——氮亚磺酰(硫)脲催化剂[23]。为了证明此催化剂的广泛应用性，最近Ellman小组将氮亚磺酰(硫)脲催化剂应用到了硫代乙酸和硝基烯烃的Michael加成反响中，惊喜的发现此催化剂可以高效的催化sulfa-Michael加成反响，其对映选择性到达90%[24]。 然而，目前还没有关于硫代乙酸与硝基烯烃的Michael加成反响以及多立体中心氮亚磺酰(硫)脲催化剂的理论研究。关于氮亚磺酰(硫)脲催化剂催化sulfa-Michael加成反响的机理还不是很清楚，并且催化sulfa-Michael加成反响高对映选择性的原因也有待于探索。为此，我们用量子化学的密度泛函理论讨论了多立体中心氮亚磺酰(硫)脲催化剂催化sulfa-Michael加成反响的微观机理，从分子水平上分析有机催化剂的构造与性能的关系，解释对映选择性的根源，弄清控制对映选择性的关键因素，并寻找催化剂的构造与活性及对映选择性的关系。为了和双官能团(硫)脲催化剂比照，我们还对氮亚磺酰(硫)脲催化剂催化硫代苯甲酸与硝基烯烃的加成反响做了研究，预测了反响的对映选择性，从而得出多立体中心氮亚磺酰(硫)脲催化剂在催化sulfa-Michael加成反响上的优势。 2计算方法 本章所有的计算都在Gaussian03程序[25]上运用密度泛函理论完成的，用B3LYP方法[26,27]在6-31G(d)基组上确定所有的反响物、过渡态、中间体及产物的几何构型。在同一水平上进展了振动频率分析，确定了各驻点的真实性，稳定点没有虚频而过渡态有且只有一个虚频。并通过IRC计算共同确保了计算结果的可信性。本文又在B3LYP/6-311++G(d,P)水平上完成了能量计算。因为该反响是在环戊甲醚〔CPME，ε=3.1〕中进展的，为了考虑溶剂对反响的影响，我们运用自洽反响场(SCRF)理论[28-30]的极化连续介质模型〔Polarizable ContinuumModel,PCM〕[31-33]，对优化好的构型在B3LYP/6-311++G(d,P)水平上进展了单点能的计算。为了更好的了解催化剂的作用及催化机理，本文还在运用同样的方法与基组计 算了硫代苯甲酸与硝基烯烃的加成反响，预测了氮亚磺酰(硫)脲催化剂催化该反响的对映选择性。 3.3 结果与讨论 3. 底物与催化剂的模型选择 为了计算方便，我们把催化剂中的异丙基用氢原子代替，底物硫代乙酸