非血红素铁氧化合物催化氢转移过程的理论研究
非血红素铁氧化合物催化氧化碳氢化合物是生命代谢过程中最重要的反应过程之一，其催化氧化过程一般分为“氢转移”和“氧回弹”两步，其中“氢转移”过程是其决速步骤，决定了该反应是否发生。对于氢转移过程涉及到电子和质子两个参量，其既可以分步转移也可以同时转移，这里同时转移也称之为“协同的质子耦合电子转移”，而对于同时转移又可分为氢原子转移（质子电子同步）和协同异步的电子-质子转移（质子电子不同步）两种。长期以来，对于这些反应机制之间的关系一直存在争议。 理论研究作为一种有效揭示反应机制的手段在揭示氢转移过程的机制中取得了巨大的成功。其中，密度泛函理论作为一种兼具效率与精度的方法，近年来在揭示铁氧化合物催化氧化碳氢化合物方面已经取得了巨大的成功。本论文将借助密度泛函理论针对非血红素铁氧化合物催化氢转移过程的机制进行研究。 一般而言，氢转移过程的影响因素可以分为两类：一种是通过改变配体来修饰非血红素铁氧化合物或者底物，以此降低氢原子提取的反应势垒；第二种是通过在溶液中加入金属离子，可以产生类似于外部电场来活化C-H键，进而加快反应速率。对于第一种方法，很难通过实验技术上的操作控制反应速率，而第二种方法则更容易直接通过实验操作。最近，有实验观察到非血红素氧化剂[(N4Py)FeIV(O)]2+催化底物2,5-(MeO)2C6H3CH2OH的氢原子提取过程中，金属离子的存在明显加快了反应速率，作者推断反应机理是由在没有金属离子下的协同氢原子转移机理变成了在金属离子存在下的分步电子转移和质子转移机理。 在本工作中，我们借助密度泛函理论方法来研究非血红素氧化剂[(N4Py)FeIV(O)]2+催化底物2,5-(MeO)2C6H3CH2OH的氢原子提取过程。首先，我们针对这一过程的反应机理进行研究，研究表明该氢原子提取反应机理区别以往的氢转移过程的反应机理，可以被看做是“氢原子转移”和“协同异步的电子-质子转移”的混合机理。接着，我们通过引入外加电场期望可以调节其反应速率，研究表明外加电场可以通过增加电子供体轨道能降低反应势垒，从而促进电子转移。当外加电场强度超过0.0045au时，反应最后变成了无反应势垒过程。这个过程与没有外加电场相比具有显著不同，在无外加电场存在时，反应遵循过渡态理论，反应势垒较大；然而在引入外加电场后，外加电场的存在使得电子转移更易发生，从而促进了氢原子转移。本工作的研究表明通过借助外加电场探究氢转移过程还有更多的可能性，未来值得更多的研究。
碳氢化合物;非血红素铁氧化合物;催化氧化反应;氢转移过程
吉林大学
硕士
物理化学
高加力
2020
中文
O621.254.1
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）