摘要
不对称催化在药物合成、材料以及化学等相关领域应用十分广泛。其中，有机小分子催化剂，尤其是手性磷酸，因其催化活性高和对映选择性高而受到了化学家们的广泛关注。近年来，手性磷酸已经被用于各种有机反应中，比如：氢转移反应、傅克反应、芳基化反应以及迈克尔加成反应等。随着计算化学的不断发展，手性磷酸催化的反应机理和对映选择性来源也被逐步揭示，这使得我们能从分子角度全面理解催化剂结构和反应活性的关系，从而为新的手性磷酸催化剂的设计以及新的不对称合成反应提供一定的理论指导。虽然大家已经研究了一些反应，但是依然有很多问题我们还不太清楚，比如手性骨架对反应的影响以及串联反应的机理等等。本论文利用密度泛函理论研究了手性磷酸催化的不对称氢化反应和不对称串联反应，主要研究内容如下： （1）通过密度泛函理论计算，阐述了手性骨架对五种手性磷酸催化的不对称转移氢化反应中催化剂酸度、反应机理、对映选择性和过渡态的动力学稳定性的影响。我们发现手性磷酸的酸性与手性骨架有很强的依赖性。过渡态更喜欢稳定在H8-BINOL衍生的手性骨架上，该骨架具有弱酸性，可以提供强的氢键相互作用。不对称氢化反应的对映选择性源于底物和手性磷酸之间的不同的非共价相互作用。此外，取决于手性骨架的催化剂口袋的形状和大小对过渡态的稳定性和反应的对映选择性起着关键作用。该理论研究有助于手性磷酸的设计和计算筛选，指导手性磷酸骨架的选择以减少实验工作量。 （2）利用密度泛函理论研究了2-氨基苯甲酰胺与苯甲醛的不对称串联反应，在手性SPINOL磷酸的催化下产生对映选择性的2,3-二氢喹唑啉酮（DHQZs）。首先，我们提出了涉及关键中间体的合理机制，以及通过两条竞争途径的立体过渡态。在这两条途径中，环化步骤比其他反应步骤具有更高的活化能垒，因此它成为了决定反应速率的步骤。其次，在环化步骤中，我们观察到对具有低活化能垒的si-面攻击过渡态的明显偏爱。我们还发现产生(S)-DHQZs的si-面攻击的过渡态是动力学上有利的途径。最后，约化密度梯度分析表明，不对称串联反应的立体选择性主要受过渡态和手性SPINOL磷酸之间的氢键作用、空间环境和非共价作用的共同控制。
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