茂金属配合物催化1-癸烯聚合和参与吡啶烷基化反应的理论研究

摘要

茂金属化合物因其在化学反应中表现出了高活性和高选择性，在高分子聚合和复杂功能化合物的合成研究中受到广泛关注。茂金属催化和参与的化学反应可在均相体系中进行，从而可在分子水平上研究相关复杂的反应机理，但仅靠现有的实验手段往往难以捕捉活性物种和重要的反应中间体，量子化学计算可在分子水平上探讨详细的反应机理，优化活性物种、过渡态以及重要中间体的结构，从而为新催化剂和新反应的设计提供有益信息。本论文基于茂金属化合物催化1-癸烯聚合和参与吡啶功能化的反应，通过密度泛函理论计算探明了相关机理，取得了如下主要研究结果:
　　1.第Ⅳ族茂金属催化剂在烯烃聚合中表现出了独特的性能，且通过其结构的调变可得到不同微观结构的聚合物。本部分分别在桥联和非桥联的第Ⅳ族茂金属分子结构的基础上，设计了19种具有不同分子结构的配合物，并从理论上探讨了其催化1-癸烯聚合的机理。结果表明，在化合物Cp2ZrCH3+的两个Cp环上引入正丁基取代基或在化合物Ind2ZrCH3+上引入烷基桥联基团均能提高产物的聚合度，并可通过调整桥联基团的长度而调整产物的聚合度;1-癸烯聚合反应的链终止过程以β-H转移为主，这与茂金属催化乙烯聚合在链终止过程需要另一分子烯烃配位的情况不同;茂金属催化1-癸烯聚合反应的决速步骤主要是在链引发阶段，在该阶段，1-癸烯聚合的活性与茂金属活性物种结构中的抓氢作用正相关，抓氢作用越强，1-癸烯聚合反应表现的活性越高。
　　2.在钪二茂铁二胺根配合物参与的吡啶功能化反应中，生成钪吡啶配合物和乙烯插入时，化合物上只有一分子吡啶配位，反应完成后再配位一分子吡啶。在第二步反应中，第二分子乙烯配位较吡啶配位困难，而吡啶配位后完成催化循环所需活化能垒极高，导致反应停留在吡啶配位得到一分子乙烯插入产物。整个反应过程伴随着钪与两个胺根基团之间的电荷相互作用。由于金属钇和镥的原子半径比钪大，吡啶配位到钇或镥相对钪更容易，完成催化循环的能垒降低使催化循环得以进行。两个胺根基团的体积对吡啶配位影响较大，体积增大使吡啶配位更加困难，反应能垒升高。不同的底物与该化合物的反应有所不同。2-苯基吡啶由于分子体积较大，在配位到化合物上时2-苯基吡啶会发生形变，吡啶和苯基不在一个平面上，分子扭曲产生的反作用力推动吡啶靠近钪原子所连甲基，有利于发生反应的两个基团靠近，降低了反应活化能垒。乙烯和吡啶分别与1_Me的配位能差别缩小，吡啶络合的优势不再明显，第二分子乙烯插入的活化能垒明显低于完成催化循环所需能垒，使第二分子乙烯插入成为可能。