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1、 学 号 14101700* 毕业设计（论文）题目：嘧啶醇的合成机理计算 作 者 许 * * 届 别 2014届 学 院 化 学 化 工 学 院 专 业 应 用 化 学 指导教师 周 * * 职 称 教 授 完成时间 2014年5月20日 摘要 摘 要嘧啶醛与Zn试剂在催化剂嘧啶醇的作用下形成一个二聚体有机化合物过渡态，在H+条件下，进一步分解生成嘧啶醇。嘧啶醇是一个具有手性的有机分子，这些微量的手性种子作为手性催化剂对一些特定的不对称化学反应进行诱导，反应产物进一步进行不对称自催化，产生手性放大效应，合成出具有较高对映选择性的手性物质。因此研究手性有机分子的自催化合成过程对生命中的手性有机物
2、起源以及手性自复制催化有重要意义。实验的方法是利用高斯软件的计算功能，在PM6的方法下对反应物及产物进行优化，从而得到各物质的能量，通过计算进一步得到反应的的大小，根据数据确定反应途径。实验结果表明，在R-嘧啶醇的自催化作用下，主要形成R-R型二聚体过渡态，进而生成R-嘧啶醇。关键词：嘧啶醇；手性；自催化；高斯 AbstractAbstract Pyrimidine aldehyde and Zn form a pyrimidine dimer compounds transition state with reagent alcohol as a catalyst, which furthe
3、r decomposed pyrimidine alcohol under H+. Pyrimidin alcohol is an chirality organic molecule, which is a chiral seed trace specific as chiral catalysts induct some asymmetric reaction. the reaction product further form catalytic asymmetric, chiral amplification generates synthesized having higher en
4、antioselective chiral substances. Therefore, chiral organic molecules autocatalytic process for the synthesis of chiral organic life and the origin of self-replicating chiral catalysis is important. The experimental method is the use of the calculation software Gaussian function, in the method of PM
5、6 and the reaction product was optimized to obtain the energy of each substance by calculating the size of the further reaction, the reaction was determined according to the data means. Experimental results show that R-pyrimidine from the catalytic alcohols formed mainly dimeric R-R transition state
6、, thereby generating an alcohol R-pyrimidine.Keywords: pyrimidine alcohol; chiral; autocatalytic; Gaussian 目 录摘要IAbstractII目录III第一章 前言11.1 手性合成中的自催化现象11.2 自催化概念1 1.2.1 自催化研究进展1 1.2.2 有机手性引发剂引发的不对称自催化反应2 1.2.3 有机小分子手性催化反应进展31.3 本课题研究方法及目标4第二章 实验部分52.1 实验方程式52.2 实验工具与方法52.2.1 Gaussian软件简介52.2.2 实验方法52
7、.3 实验步骤5第三章 实验结果与讨论73.1 结构优化图73.1.1嘧啶醛及二异丙基锌的优化结构7 3.1.2化合物1的两种构象7 3.1.3 二聚体中间态化合物2的优化构象83.1.3.1 S-S型化合物283.1.3.2 R-R型化合物283.1.3.3 R-S型化合物293.2 各物质能量数据103.3 数据分析及实验结论10第四章 结论12参考文献13致谢17附录一18附录二27I第一章 前 言1.1 手性合成中的自催化现象揭示生命过程中的奥秘，是人类孜孜不倦永恒追求的目标。手性有机物的起源一直是困扰科学家的重要难题。星球的区域强烈圆偏振光辐射一直被认为是手性有机物起源的原因之一1。
8、使用圆偏振光照射2 ,3 ，可以获得ee 值为2 % 的亮氨酸与 ee 值为0.12 %的对六螺烯光照产物。这些微量的手性种子作为手性催化剂对一些特定的不对称化学反应进行诱导，反应产物进一步进行不对称自催化，产生手性放大效应，合成出具有较高对映选择性的手性物质。因此研究手性有机分子的自催化合成过程对生命中的手性有机物起源以及手性自复制催化有重要意义。DNA的复制过程实质上是一个关于L-氨基酸功能基团自我识别的过程。1.2 自催化概念 1.2.1 自催化研究进展1953年Frank4提出 “自催化”概念，四十年间，自催化研究进展很慢，寻找高效的自催化反应体系是一个挑战性极高的课题 5。1995年
9、，Soai6,7 发现了第一个能得到高对映选择性产物的不对称自催化反应体系(示意图1)。在嘧啶醛和二异丙基锌的反应中，采用产物S-嘧啶醇催化，得到了高ee值为90 %以上的S-嘧啶醇产物。示意图1 嘧啶醛与二异丙基锌的自催化过程2003 年报道的嘧啶醛与二异丙基锌自催化反应中8 ，催化剂的ee 值为510-7，得到了ee值为99.5%的光学纯产物，这说明在反应前，如果有痕量的单一对映体产物存在，结果产生光学纯达到99%的起始添加手性产物。这些实验事实验证了Frank 在1953 年提出的设想：不对称合成中，手性分子可以依靠微小的不对称随机波动进行自我复制和抑制其对映体而产生几乎单一的手性9-1
10、3。 此类反应首次证明了结构明确的单个小分子化合物可以像生物大分子那样进行精确的自我复制。Soai反应是不对称催化化学发展史上的一项重大成就!2010年，王智刚课题组研究发现14，L-Proline催化的Mannich反应实质上也是反应产物自催化反应，得到了可以与L-Proline催化相比拟的极高的对映选择性（99% ee）。（示意图2）这说明还有更多的自催化体系等待我们去探索、研究。示意图2 L-Proline催化的Mannich反应手性有机小分子的自复制催化过程中，催化剂和产物无需分离，因此该研究具有显著的实用价值，同时有机手性小分子的自复制过程，在理论上实现小分子模拟生物功能自复制并为手
11、性起源和同手性演化提供关键的小分子模型系统。此类反应突出地代表了一个完全未被开拓的崭新前沿领域。因此，拓展有机手性小分子自催化体系，具有重要的科学意义。 1.2.2 有机手性引发剂引发的不对称自催化反应 Soai 研究小组发现使用ee 值很低的手性醇、手性酸 、手性胺、手性a-氨基酸 15 ,16 、氘代手性醇 17 、手性环氧乙烷 18 、手性螺烯 19 、2，2 对环芳烷 20 等作手性引发剂催化嘧啶醛和二异丙基锌的反应，可以实现自催化反应。他们在进一步的研究中还发现了通过在不对称自催化反应体系中加入很少量非手性的-氨基醇就可以使产物的构型发生变化,但是目前对此现象的机理还有待进一步的研究
12、21。 2005 年Soai 等22 研究还发现了催化醛8d 和ZniPr2的加成反应中，用手性共结晶-吲哚乙胺/对氯苯甲酸，-吲哚丙酸/菲啶作为手性引发剂,首次完成了用非手性的结晶引发高对映选择性的不对称反应。他们一致认为这是因为在反应的起始阶段共结晶的手性表面吸附有醛8d 和ZniPr2 ，由于共结晶表面的手性环境,让生成的产物中有了微小的过量对映体,从而通过不对称自催化反应达到高的对映体选择性。 1.2.3 有机小分子手性催化反应进展 有机小分子手性催化作为继酶催化和金属催化之后的第三类手性催化反应，近年来得到了很大的发展，成为手性催化研究的一个新热点，有学者称现在是“手性有机小分子催化
13、的黄金时代”23。手性酮催化烯烃的环氧化反应是早期有机小分子催化反应的代表之一，杨丹和史一安等分别作出了出色的工作24，特别是史一安发展的以天然糖为原料的手性酮催化剂，是目前最成功的具有广普底物适用性的有机小分子催化体系，被称“史环氧化反应（Shi Epoxidation）”。2000年，自List和Barbas等报道了脯氨酸催化的分子间不对称aldol反应25、MacMillan等报道了手性咪唑啉酮催化的不对称Diels-Alder反应以后26，有机小分子手性催化在国际上得到迅速的发展27。目前，在设计合成新型有机小分子催化剂的基础上，已成功实现了包括adol、Diels-Alder、Friedel-Crafts、Baylis-Hillman、Mannich、Michael加成、硅氰化、卤化、胺化、胺氧化、环氧化、Biginelli反应、以及膦氢化等反应在内的多种类型的手性催化反应。 这些年来，我国的科学家在有机小分子手性催化研究等领域也取得了许多的重要进展，例如在手性胺催化有机反应中，龚流柱等设计合成了手性脯氨酸酰胺及其类似物催化剂，在不对称直接aldol的反应中获得了很好的对映选择性28；陈应春等一些科学家以天然生物碱衍生物用作催化剂，扩展了许多类手性催化反应29；罗三中和程津培等人将咪唑离子同有机小分子催化剂相结合发展了一种新
