路易斯酸碱催化的环加成、酮还原反应和蛋白酶体与肽反应的理论研究.pdf

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1、AdissertationsubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofDoctorTheoreticalStudyontheCycloaddition，ReductionofKetonePromotedbyLewisAcid／BaseandtheReactionsbetweenProteasomeandPeptidesByDonghuiWeiSupervisor：Prof．MingshengTangPhysicalChemistryTheCollege

2、ofChemistryandMolecularEngineeringJuly,2012，原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：年月日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论

3、文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第～署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：日期：年月日中文摘要当今有机小分子催化(organocatalysis)和酶催化反应的机理研究是理论化学领域的两大重要组成部分。除去酶体系

4、内的静电环境和氢键等作用，而只比较酶参与反应的几个活性残基的话，酶与有机小分子催化剂在化学反应中的作用并无不同。在不含过渡金属元素的催化反应体系(包括有机小分子催化和非金属酶催化)，催化剂可以被归为四大类：即路易斯酸、路易斯碱、质子酸和质子碱。本论文从有机小分子催化和酶催化反应的理论研究中求同存异，首先按照催化剂在反应中所起的作用，对五个有机小分子催化反应进行分类并阐述其反应机理，随后对一个重要的蛋白质降解酶(蛋白酶体)与肽的反应进行了理论研究，发现参与反应的蛋白酶体的苏氨酸残基(Thrl)其实

5、也是一个路易斯碱，这项研究为以后设计有机小分子催化剂来取代蛋白酶体提供了理论依据。本论文的第一章主要介绍有机小分子催化反应体系和酶反应体系的计算方法，并说明了有机小分子催化与非金属酶催化反应的本质并无不同，因此可以在催化的机制上对它们进行类比，为以后借鉴酶催化来设计有机小分子催化剂提供了一条捷径。本论文的第二至四章用密度泛函理论(DFT)的计算方法对五个有机小分子催化反应做了深入的理论研究。1．路易斯酸三氟化硼(BF3)催化的烯酮．酮[2+2+21环加成生成戊二酸酐的反应。本章用密度泛函理论方法

6、研究了该反应的三条可能反应路径，包括～条不含催化剂的反应路径(路径一)和两条路易斯酸BF3催化的反应路径(路径二和三)。计算结果表明其中的一条催化反应路径(路径二)在这三条反应路径中是能垒最低的，所以它应该是主要反应路径。据我们所知，路易斯酸可以降低酮．烯酮[2+2]环加成反应能垒的原NN现在也没有定论，为了弄清这一疑问，我们用了前线分子轨道(FMO)理论分析来解释路易斯酸BF3到底是怎么使该反应更容易进行的。分析结果表明，除了前线轨道的对称性和能隙的大小之外，前线分子轨道之间的重叠方式对环加成

7、反应的能垒高低也有很强的影响。2．NHC不对称催化烯酮和N=N双键化合物的『2+2]环加成反应。这种不对称催化合成氮杂．B．内酰胺反应的ee(enantiomericexcess)值高达90％(R)，然而哪一步是立体选择性控制步骤以及NHC在催化该环加成反应中所起的作用至今郑州大学博士学位论文尚不清楚。本节中，我们提出了该反应可能的反应机理，并用密度泛函理论的计算方法对其进行了细致的研究。我们在B3LYP／6．31G(d，p)水平下对反应物、中间体、过渡态和产物进行了几何全优化。我们的计算结果表

8、明【2+2]环加成形成四元环是决定立体选择性的步骤，且生成只构型的反应路径在能量上更占优势，这跟实验结果是一致的。另外，前线分子轨道分析表明由于NHC催化剂能使反应物之间的前线轨道能隙更小，从而使得该[2+2]环加成反应更容易发生。另外，我们还用全局反应指标分析了该反应过程，值得一提的是，全局反应指标分析的结果与前线分子轨道的分析结果是一致的。此外，溶剂效应的计算结果说明二氯甲烷溶剂对产物的立体选择性没有太大的影响。3．蒎烯衍生的氨基醇类化合物在实验上被用来不对称催化还原酮生成相应的仲醇，且ee