系統識別號 | U0002-1507201311052000 |
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DOI | 10.6846/TKU.2013.00422 |
論文名稱(中文) | Pd(II)金屬催化下8-methylquinoline的氟化反應之理論探討 |
論文名稱(英文) | Pd(II)-Catalyzed Fluorination of 8-Methylquinoline: a DFT Study |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 化學學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Chemistry |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 101 |
學期 | 2 |
出版年 | 102 |
研究生(中文) | 王子豪 |
研究生(英文) | Tzu-Hao Wang |
學號 | 600160542 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | 英文 |
口試日期 | 2013-06-17 |
論文頁數 | 89頁 |
口試委員 |
指導教授
-
王伯昌
共同指導教授 - 楊大衍 委員 - 王伯昌 委員 - 楊大衍 委員 - 陳輝龍 |
關鍵字(中) |
催化 模擬 氟化反應 |
關鍵字(英) |
DFT Pd(OAc)2 b3lyp fluorination |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本論文主要為探討以Pd(II)進行金屬催化8-methylquinoline的氟化反應之理論計算研究,所模擬的反應參考一篇的實驗論文,將其路徑分為三階段,每一個階段皆有結構變化、能量圖與NBO圖電荷分析,計算方法選擇為DFT的計算函數b3lyp,搭配基底函數lanl2dz。 第一階段進行Pd(OAc)2的氧化加成(Oxidative addition)反應,其中包含碳-氫鍵活化(C-H activation)反應,本論文計算模擬得知兩種可能路徑,考慮其金屬配位因素,選擇合理的路徑做後續的模擬與分析。 第二階段實驗中氟化劑內含氟原子電性偏F+性質,這是一種較少見的方式,由於氟的陰電性極高,要帶正電性是極為不容易的,本論文的模擬結果顯示,氟一旦脫離氟化劑,會快速抓取附近原子上的負電恢復其電性,在此種類似正電性質下,氟能夠較易的脫離氟化劑,以利進行此階段之反應,此外模擬後發現氟化劑之性質顯著影響反應的難易。 第三階段為還原脫去(reduction eliminative)反應,氟透過還原脫去反應轉移至碳,最後與Pd鍵結之兩個OAc,重新配位生成Pd(OAc)2,而脫去反應物,完成整個反應的模擬。 本論文計算之結果得知第二階段氟化劑,使F帶類似正電性 質,此為整個反應能否進行的關鍵,依造以F+為主,設計出的不同 氟化劑,將影響此種反應進行的難易,根據其結果,能提供實驗設 計上更多更好的想法。 |
英文摘要 |
This thesis is focus on the reaction mechanism of palladium-catalyzed fluorination of 8-methylquinoline. In order to figure out the mechanism and restrictions of the fluorination reaction, we refer a published experimental paper, which divided the pathway into three steps. Each step will have the structural analysis, the NBO analysis and the energy diagram analysis. Besides, geometry optimization was carried out with the DFT method by using B3LYP functional and lanl2dz In step 1, we have the Oxidative addition reaction by Pd(OAc)2 which also include C-H activation reaction. We predict two possible pathways by using molecular stimulation calculation. However, there is one pathway has ligand problem so we choose anther reasonable pathway to continue step 1 simulation. In the step 2, the experiment uses the electrophilic fluorinating reagent (F+) to join our reaction. Since fluoride is highly electronegative so it is not easy to make it electrophilic. In our study, we found out that F+ of the fluorination reagent could leave the reagent easily in order to finish the reaction. Besides, the property of fluorinating reagent will affect the reaction difficulty. In the step 3, we have the reduction eliminative reaction. Under this reaction, fluoride can be transferred to the target carbon forming C-F bond. Finally, two OAc bonds of Pd will rearrange to Pd(OAc)2, which can leave the reactant and finish the full simulation pathway. In conclusion, the fluorinating reagent is the key factor of this reaction. Therefore, developing different kinds of fluorinating reagent can provide more efficient and better fluorination reaction. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目 錄 謝誌 I 中文摘要 II 英文摘要 III 目錄 V 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究概況 4 1.3 研究動機 13 第二章 研究方法 18 2.1 計算方法及基底函數(Basis set) 18 2.2 Gaussian 09計算指令 19 第三章 結果與討論 22 3.1 Pd(II)催化行氟化反應流程預測 22 3.2 Step 1 Pd(II)的氧化加成反應的探討 24 3.2.1 Pd(II)氧化加成反應預測 26 3.2.2 Pd(II)氧化加成反應的結構探討 27 3.2.3 Pd(II)氧化加成反應的NBO探討 32 3.2.4 Pd(II)氧化加成反應的能量探討 34 3.3 Step 2 氟轉移反應的探討 36 3.3.1 氟轉移反應預測 36 3.3.2 氟轉移反應的結構探討 42 3.3.3 氟轉移反應的NBO探討 51 3.3.4 氟轉移反應的能量探討 58 3.4 Step 3 還原脫去反應的探討 64 3.4.1 還原脫去反應預測 64 3.4.2 還原脫去反應的結構探討 66 3.4.3 還原脫去反應的NBO探討 69 3.4.4 還原脫去反應的能量探討 70 3.5 其他可能的路徑預測 71 3.6 氟化劑之探討 80 3.6.1 tm-pyd、pyd與TEDA之電荷比較 80 3.6.2 tm-pyd、pyd與TEDA之HOMO及LUMO探討 81 第四章 結論 84 參考資料 86 表目錄 表1-1 鹵化物之鹵素與其化合物之鍵能(kJ/mol) 5 表1-2 產物與產率 13 表3-1 氟化劑配上F、Cl、Br之電性(e) 81 圖目錄 圖1-1 含氟的生物活性化合物 2 圖1-2 氟在生物活性劑與材料的功用 3 圖1-3 其他氟化反應 6 圖1-4 氟取代未活化的鹵素芳香環反應 7 圖1-5 金屬催化反應循環 8 圖1-6 氟化反應 10 圖1-7 氟化劑置備反應式 11 圖1-8 加入CA的氟化劑反應式 12 圖1-9 HOAc不離開的反應機制 16 圖2-1 [H3N-H-OH2]+的proton transfer 19 圖3-1 金屬催化反應循環 22 圖3-2 Step 1金屬催化物的氧化加成反應路徑圖 25 圖3-3 Step 1反應路徑結構圖 27 圖3-4 甲基對稱Pd(OAc)2加成的結構優化變化 29 圖3-5 Pd(OAc)2甲基旋轉能障 30 圖3-6 TS2的HOMO-3、TS2的LUMO+4與I2的HOMO-4 31 圖3-7 step 1的NBO分析圖 32 圖3-8 Step 1的能量圖,其能量為在C6H6溶液下之ΔH(ΔG),溫度為298K 34 圖3-9 TS3到P1之間質子轉移反應 35 圖3-10 加入F-tm-pyd後Step 2-a的反應路徑 37 圖3-11 加入F-pyd後Step 2-b的反應路徑 39 圖3-12 加入F-TEDA後的Step 2-b的反應路徑 40 圖3-13 Step 2-a反應路徑結構圖 42 圖3-14 P1的HOMO與PC1的HOMO 44 圖3-15 Step 2-a的質子轉移反應結構 45 圖3-16 Step 2-b反應路徑結構圖 46 圖3-17 Step 2-c反應路徑結構圖 49 圖3-18 Step 2-a前半的NBO圖 51 圖3-19 Step2-b前半的NBO圖 52 圖3-20 Step 2-c前半的NBO圖 53 圖3-21 N2的NBO圖 54 圖3-22 Step 2-a後半的NBO圖 55 圖3-23 step2-b後半的NBO圖 56 圖3-24 step2-a後半的NBO圖 57 圖3-25 step 2-a的能量圖,其能量為在C6H6溶液下ΔH(ΔG),溫度為298K 58 圖3-26 I3a到P2a之間的質子轉移反應 59 圖3-27 step 2-b的能量圖,其能量為在C6H6溶液下ΔH(ΔG),溫度為298K 60 圖3-28 step 2-c的能量圖,其能量為在C6H6溶液下ΔH(ΔG),溫度為298K 61 圖3-29 step 2-a、step 2-b及step 2-c的能量圖,其能量為在C6H6溶液下之ΔH(ΔG),溫度為298K 62 圖3-30 Step 3還原脫去反應路徑 64 圖3-31 Step 3反應路徑結構圖 66 圖3-32 I4的HOMO-1圖 67 圖3-33 Step 3的NBO圖 69 圖3-34 Step 3的能量圖,其能量為在C6H6溶液下之ΔH(ΔG),溫度為298K 70 圖3-35 pathway 2金屬催化物的氧化加成反應路徑圖 73 圖3-36 流程圖 75 圖3-37 反應循環圖 76 圖3-38 F-tm-pyd總反應能量圖 77 圖3-39 F-pyd總反應能量圖 78 圖3-40 F-TEDA總反應能量圖 79 圖3-41 tm-pyd之HOMO-LUMO圖 81 圖3-42 pyd之HOMO-LUMO圖 82 圖3-43 TEDA之HOMO-LUMO圖 82 |
參考文獻 |
1. Shimizu, M.; Hiyama, T. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 214-231 and references therein. 2. Ibrahim, H.; Togni, A. Chem. Commun. 2004, 1147-1155. 3.a) Umemoto, T.; Singh, R. P. ; Xu, Y. ; Saito, N. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132,18199-18205. .b) Kikuchi, M. ; Onozawa, T. Yuki Gosei Kagaku Kyokaishi (J. Synth. Org. Chem.,Jpn.) 1997, 55, 72-74. .c) Liu, R. S. H. ; Matsumoto, H. ; Asato,A. E. ; Denny, M. ; Shichida, Y. ; Yoshizawa, T. F. ; Dahlquist, W. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 7195-7201 ; A. J. Lovey, B. A. Pawson, J. Med. Chem. 1982, 25, 71-75. .d) Camps, F. ; Coll, J. ; Fabrias, G. ; Guerrero, A. Tetrahedron 1984, 40, 2871-2878. .e) Coutrot, Ph. ; Grison, C. ; Sauvetre, R. J. Org. Chem.1987, 332,1-8 .f) Noritake, S. ; Shibata, N. ; Nakamura, S. ; Toru, T. ; Shiro, M. Eur. J. Org. Chem.2008, 3465-3468. 4. Banks RE, Tatlow JC. In: Fluorine: The First Hundred Years (1886–1986). Banks RE,Sharp DWA, Tatlow JC (Eds). ElsevierScience Publishing Co., Inc., NY, USA,93–97 (1986). 5. Midgley T, Henne AL. Organic fluorides as refrigerants. Ind. Eng. Chem. 22,542-545(1930). 6. Schmitt R. ; von Gehren H. J. Prakt. Chem. 1, 394 (1870). 7. Balz, G. ; Schiemann, G. Chem. Ber. 1927, 60, 1186 -1190. 8. a) Taylor, E. C. ; Bigham, E. C. ; Johnson, D. K. ; McKillop, A. ; J.Org. Chem.1977, 42, 362 -363; b) Butin, K. P. ; Kiselev,Yu. M. ; Magdesieva, T. V. ; Reutov, O. A. ;J. Organomet.Chem. 1982, 235, 127- 133; c) Bryce, M. R. ; Chambers, R. D. ; Mullins, S. T. ; Parkin, A. ; J. Fluorine Chem.1984, 26, 533 -534; d) Visser, G. W. M.; Halteren, B. W. Von ; Herscheid, J. D. M. ; Brinkman, G. A. ; Hoekstra, A. ; J.Chem. Soc. Chem. Commun. 1984, 655 - 656; e) Visser,G. W. M. ; Bakker, C. N. M. ; Halteren, B. W. Van ; Herscheid, J. D. M.; Brinkman, G. A.; Hoekstra, A.;J. Org. Chem. 1986, 51, 1886 - 1889; f) G. V. De Meio, J. T. Pinhey, J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1990, 1165 - 1166; g) Skulski, L.; Kujawa, A. ; Wroczynski, P. ; Bull. Pol. Acad. Sci. Chem. 1991, 39,23 -28; h) Meio, G. De ; Morgan, J. ; Pinhey, J. T. ;Tetrahedron 1993, 49, 8129 -8138; i) Gun×kin, I. F. ; Pankst×yanov, A. Yu. ; Popova, S. S. ; Kleimenova, V. I. ; Russ. J. Gen. Chem. 2000, 70, 37 - 39. 9. a) Ermolnko, M. S. ; Budylin, V. A. ; Kost, A. N. ; Khim. Geterotsikl.Soedin.1978, 933 - 935; b) Puy, M. Van der J. Fluorine Chem.1982, 21,385 - 392; c) Grushin, V. V. ; Kantor, M. M. ; Tolstaya, T. P. ; Shcherbina, T. M. ; Izv. Akad.Nauk SSSR Ser. Khim. 1984, 2332 -2338; d) Shah, A. ; Pike, V. W. ; Widdowson, D. A. ; J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1 1998,2043- 2046; e) Martin-Santamaria, S. ; Carroll, M. A. ; Carroll, C. M. ; Carter, C. D. ; Rzepa, H. S. ; Widdowson, D. A. ; Pike, V. W. ;Chem. Commun. 2000, 649 - 650. 10. Miller, J.; Aromatic Nucleophilic Substitution,Elsevier, London,1968;F. Terrier, Nucleophilic Aromatic Displacement: The Influence of the Nitro Group, VCH,New York, 1991. 11. Langlois, B. ; Gilbert, L. ; Forat, G. ; Ind. Chem. Libr. 1996, 8, 244 - 292. 12. Grushin, V. V. Chem.sEur. J. 2002, 8, 1006-1014 and references therein. 13. For selected recent monographs and reviews, see: a) Tsuji, J. ; Palladium Reagents and Catalysis :Innovations in Organic Synthesis,Wiley,Chichester, 1995; b) Poli, G. ; Giambastiani, G. ; Heumann, A. ; Tetrahedron 2000, 56, 5959 - 5989; c) Zimmer, R. ; Dinesh, C. U. ; Nandanan, E. ; Khan, F. A. ; Chem. Rev. 2000, 100,3067 - 3125; d) Beletskaya, I. P. ; Cheprakov, A. V. ; Chem. Rev. 2000, 100, 3009 – 3066; e) Meijere, A. de ; S. Br‰se,J. Organomet. Chem. 1999, 576, 88 - 110; f) W. A. Herrmann in Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds: A Comprehensive Handbook in Two Volumes (Eds.: B. Cornils,W. A. Herrmann), VCH, Weinheim, 1996, pp.712 - 732; g) Miyaura, N. ; Suzuki, A. ; Chem. Rev. 1995, 95, 2457 - 2483. 14. a) Christe, K. O. ; Wilson, W. W. ; Wilson, R. D. ; Bau, R. ; Feng, J. A. ; J. Am.Chem. Soc. 1990, 112, 7619 - 7625; b) Christe, K. O. ; Wilson, W. W. ; J. Fluorine Chem. 1990, 47, 117 –120; c) Christe, K. O. ; Wilson, W. W. ; Eur. Pat. Appl. 1991, EP 457 966A1 19911 127 [Chem.Abstr.1992, 116, 62850]; d) Schwesinger, R. ; Link, R. ; Thiele, G. ; Rotter, H. ; Honert, D. ; Limbach, H.-H. ;Angew. Chem. 1991, 103, 1376 - 1378; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1991, 30, 1372 - 1375; e) Seppelt, K. ; Angew. Chem. 1992, 104, 299 - 300; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992, 31, 292 - 293; f) Harmon, K. M. ; Southworth, B. A. ; Wilson, K. E. ; Keefer, P. K. ; J. Org.Chem. 1993, 58, 7294 - 7295; g) Mahjoub, A. R. ; Zhang, X. ; Seppelt, K. ; Chem. Eur. J. 1995, 1, 261-265; h) Gnann, R. Z. ; Wagner, R. I. ; Christe, K. O. ; Bau, R. ; Olah, G. A. ; Wilson,W. W. J. ;Am. Chem. Soc. 1997, 119, 112 - 115; 15.For a review on the rich chemistry of F-TEDA = 1-chloromethyl-4-fluoro-1,4 -diazoniabicyclo[2,2,2]octane bis[tetrafluoroborate], see: (a) Banks, R. E. ; J. Fluorine Chem., 1998, 87, 1–17; (b) Singh R. P. and Shreeve, J. M. ;Acc. Chem. Res., 2004, 37, 31–44. 16. Hull, K. K. ; Anani, Waseem Q. and Sanford, M. S. ; J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 7134-7135. 17. Dyker, G. ; Angew. Chem., Int. Ed., 1999, 38, 1698-1712. 18. Ritleng, V. ; Sirlin C. and Pfeffer, M. ;Chem. Rev., 2002, 102, 1731-1770. 19. Kakiuchi F. and Chatani, N. Adv. Synth. Catal., 2003, 345, 1077-1101. 20. Alberico, D. M. ; Scott E. and Lautens, M. Chem. Rev., 2007, 107,174-238. 21. Atsushi Is hikawa, Nakao Yoshihide, Sato Hirofumi and Sakaki Shigeyoshi, Dalton Trans., 2010, 39, 3279–3289 22. Biswas, B. ; Sugimoto M. and Sakaki, S. Organometallics, 2000, 19, 3895-3908. 23. Bielsa, Raquel ; Navarro, Rafael ; Urriolabeitia, Esteban P. and Lledo’s, Agustı’ Inorg. Chem. 2007, 46, 10133-10142 24. Hratchian H. P. and Schlegel, H. B. “Following reaction pathways using a damped classical trajectory algorithm,” J. Phys. Chem. A, 106 (2002) 1 65-69. 25. Kohn W. and Sham, L. J. “Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects,” Phys. Rev., 140 (1965)A1133-A38. 26. Parr R. G. and Yang, W. Density-functional theory of atoms and molcules (Oxford Univ. Press, Oxford, 1989). 27. The Challenge of d and f Electrons, Ed. Salahub D. R. and Zerner M. C. (ACS,Washington, D.C., 1989). 28. Dunning T. H. and Hay, P. J. in Modern Theoretical Chemistry, Ed. H. F. Schaefer III, Vol. 3 (Plenum, New York, 1976) 1-28. 29. Hay P. J. and Wadt, W. R. ; “Ab initio effective core potentials for molcular calculations - potentials for the transition-metal atoms Sc to Hg,” J. Chem. Phys., 82 (1985) 270-283. 30. Hay P. J. and Wadt, W. R. “Ab initio effective core potentials for molcular calculations - potentials for K to Au including the outermost core orbitals,” J.Chem. Phys., 82 (1985) 299-310. 31. Wadt W. R. and Hay, P. J. “Ab initio effective core potentials for molcular calculations - potentials for main group elements Na to Bi,” J. Chem. Phys., 82 (1985) 284-298. 32. Jaroszewski, L.; Leysing, B.; Tanner, J. T.; McCammon, J. A. Chem.Phys. Lett. 1990, 175, 282-288. |
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