铁配合物催化二乙烯基二硅氧烷与硅烷反应的机理研究

【摘要】有机硅材料性能优异，它耐高低温、防潮、绝缘、耐腐蚀、耐老化等等；同时有机硅材料的品种多样化，有液体（硅油）、弹性体（硅橡胶）、树脂、粘结剂、乳液等。因此，有机硅材料被广泛应用于航空航天、电子、机械、化工、医学等各大领域，并大大地促进了各方面的研究，已成为国民经济中重要的新型材料。然而，有机硅材料非自然界存在的天然物质，因此，必须寻找合成这类化合物的有效途径和方法。不饱和有机化合物与含Si–H键的硅类化合物在催化剂作用下发生硅氢加成反应是制备有机硅化合物的重要手段，其中以过渡金属催化剂最为有效。过去几十年来，贵金属Pt、Rh、Ru、Pd、Co等配合物催化剂和催化机理是人们的研究热点，并取得了可喜的研究成果。近年来，研究者逐渐着眼于开发和使用具有低成本、对环境友好、高选择性以及高活性等特点的新型过渡金属催化剂及相应硅氢化催化机理的探索，然而仅通过实验手段很难检测到反应生成的所有中间体，不能够对反应机理深入了解，因此，目前通过量子化学理论计算与实验探究相结合，是获得催化反应机理非常行之有效的研究手段，对全面彻底地理解反应机理具有十分重要的意义。本论文选择在众多的过渡金属催化剂中，催化性能好，且既绿色环保，又符合可持续发展要求的铁配合物体系，采用B3LYP密度泛函理论方法对CpFe(CO)2Me催化的1,3-二乙烯基二硅氧烷和三甲基硅烷硅氢化反应可能的机理进行详细的研究，重点探讨反应过程中重要中间体和过渡态的形成、可能路径的反应能垒，从而为实验研究提供理论依据和指导。主要研究内容及结论如下：（1）综述了近年来过渡金属配合物催化剂及其催化烯烃硅氢化反应机理的最新研究进展，重点介绍了Pt、Rh、Ru、Zr等过渡金属配合物的不同催化作用机制。（2）1,3-二乙烯基二硅氧烷和三甲基硅烷硅氢化反应中，CpFe(CO)2Me（R）并非真正的活性催化体，由R经过几步反应得到的16电子硅基铁配合物CpFe(CO)SiMe（3A）才是整个催化循环的催化活性物种。A的获得有两条可能的路径，即经历过渡态TSR1-A，甲烷解离的路径1；经历过渡态TSR2-A，乙醛解离的路径2。其中，从动力学角度，路径2以相对稳定的中间体和相对平稳的势垒跨度而较优于路径1；从热力学角度，路径1也能实现。（3）根据文献报道，在光照条件下由R获得A经历脱羰基后，会发生硅烷的氧化加成，并形成一个氧化加成中间体。我们研究发现这一氧化加成中间体的空间位阻很大，不能稳定存在。R脱羰基后能与硅烷形成η2-H化合物PC1，或者第一步并不发生脱羰基，而是形成化合物CpFe(CO){C(O)Me}（R2）。（4）由A开始的整个催化循环分为三部分：(i)1,3-二乙烯基二硅氧烷的配位与C=C双键插入Fe–Si键，生成中间体C；(ii)由于SiMe3中甲基的立体排斥作用较强，中间体C不稳定，经一系列异构化反应得到稳定的化合物G1；(iii)最终产物的形成和催化剂的再生经历重要的桥氢中间体K和过渡态TSK-A。分析整个过程与实验结果完全吻合，即1,3-二乙烯基二硅氧烷上的一个乙烯基发生脱氢硅烷化，另一个乙烯基发生氢化反应。换而言之，乙烯基α-碳上的H来自于氢硅烷中的氢，β-碳上的氢来源于另一个乙烯基β-碳上的氢。
【作者】赵艳；
【导师】武海顺；
【作者基本信息】山西师范大学，化学，2014，硕士
【关键词】密度泛函理论；有机硅化合物；硅氢化；过渡金属配合物；反应机理；催化剂；

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