醛和酮是两类重要的有机化合物,它们不仅是有机化学合成中关键的中间体,也是生物活性天然产物、药物中普遍存在的结构单元,在生物制品、药学、农学、工业生产等领域中也发挥着重要的作用。因此,醛和酮的衍生化受到了科学家们的广泛关注。在有机合成中,碳-氢(C-H)键活化是合成碳-碳(C-C)键、碳-杂原子键主要的策略之一。近年来,以氨基酸作为无痕导向基团,利用过渡金属Pd作为催化剂,可实现醛和酮的C-H键芳香化,并表现出良好的活化位点选择性。但是对于详细的微观机理尚不完全明确。本论文利用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)方法,对在无痕导向基团作用下,由过渡金属Pd催化的醛和酮的C-H键芳香化反应机理进行了系统的研究,其中底物包括脂肪醛、芳香醛和脂肪酮三种,无痕导向基团包括α-氨基酸和β-氨基酸两种。计算结果表明:在催化反应过程中,过渡金属Pd经历了II/IV价循环,反应步骤包括金属配位、O-H去质子化、C-H键活化、氧化加成、还原消去和金属去配位6个主要步骤。在催化反应过程中,过渡金属Pd可通过四配位、五/六配位两种模式完成反应。无论是脂肪醛、脂肪酮还是芳香醛,以五/六配位模式催化C-H键活化是动力学上优先的。对于脂肪醛,β-氨基酸作为无痕导向基团时的活化能显著低于α-氨基酸,说明β-氨基酸是更为有利的无痕导向基团,这与实验结果一致;对于芳香醛来说,使用α-氨基酸为无痕导向基团时反应较容易进行。此外,比较了不同位点的C-H键活化的反应活化能,结果显示,无论是脂肪醛还是脂肪酮,在动力学上,β位置的C-H键活化是最容易的。相关研究成果深入的揭示了过渡金属Pd催化C-H键活化的微观反应机理及位点选择性,对于设计新型的催化剂、发展更高效的C-H键活化策略具有重要的指导意义。