3,3-二取代氧化吲哚是一类含有四取代碳手性中心的重要结构单元,广泛存在于天然产物和药物分子结构中。筛选高效催化剂,发展高效的合成方法,快速构建该类骨架有助于构效关系研究,进而加快新药研发,具有重要的理论意义和实际价值。然而由于反应底物的位阻和电性等原因,该类骨架的构建仍是有机催化领域的重要挑战之一。同时,反应机理和选择性控制因素的不明确也限制了该领域的发展。随着计算化学等理论方法的发展,其在理解催化反应机理和选择性,设计更优秀的催化剂等方面起到越来越重要的作用,已成为催化反应研究的重要手段。从分子水平深入理解和把握该类结构单元构建反应的特点和性质,将有助于优化反应条件,设计开发新型高效催化剂,进一步推动该领域的发展。本文围绕铑(Ⅱ)催化的重氮氧化吲哚与烯烃的环丙烷化,奎宁衍生物催化的靛红亚胺的aza-Henry反应和汞(Ⅱ)催化的靛红及其亚胺Sakurai-Hosomi反应等三类用于构建3,3-二取代氧化吲哚骨架的重要反应,采用密度泛函理论(DFT)等方法细致研究了其反应机理、催化模式和立体选择性。我们的研究阐明了反应机理,建立了合理的立体化学模型,揭示了立体选择性的本质,不仅解释了实验现象、加深了对反应的理解,同时也对催化机理和模式提出了新见解,有助于后续新反应和新催化剂的设计开发。主要研究内容包括以下几个方面：1、铑(Ⅱ)催化的重氮氧化吲哚环丙烷化反应的机理和立体选择性的理论研究采用密度泛函理论方法对铑(Ⅱ)催化的重氮氧化吲哚与苯乙烯间的环丙烷化反应的机理和立体选择性进行了细致的理论研究,考察了非催化反应、Rh2(OAc)4催化的外消旋反应以及手性Rh2(S-PTTL)4催化的不对称反应三类体系。结果表明,非催化环丙烷化反应为能垒很高且选择性很差的单步协同反应,而Rh2(OAc)4和Rh2(S-PTTL)4催化的环丙烷化反应为分步过程,主要包括卡宾生成和环丙烷化两步,且环丙烷化步为协同不同步的单步过程。结果表明N2脱去为催化环的决速步,而环丙烷化为立体选择性决定步。计算表明,苯乙烯可沿end-on或side-on两种路径进攻卡宾络合物,且前者比后者更有利。本研究建立了合理的立体化学模型,并成功预测了反应的立体选择性。计算探明了Rh2(S-PTTL)4催化剂优秀的催化活性和立体控制能力的本质,结果显示非共价相互作用(NCI)在提高反应活性和控制立体选择性方面起到重要作用。结果表明,优秀的反式非对映选择性主要由卡宾体中的吲哚环与苯乙烯中的苯环间的7π-7π作用控制,而良好的对映选择性则源自苯乙烯中的苯环以及邻苯二甲酰亚胺配体与卡宾体中的吲哚环间的7π-π和CH…π芳香作用。另外,我们的方法学研究也表明考虑色散作用对于合理阐明反应机理和立体选择性十分重要。这些结果将有助于理解卡宾转移介导的不对称环丙烷化反应的机理,为后续开发新型催化剂和反应体系提供理论指导。2、奎宁衍生物催化的靛红亚胺aza-Henry反应机理和对映选择性的理论研究采用密度泛函理论方法研究了奎宁衍生物(QN)催化的硝基甲烷与靛红衍生酮亚胺间的aza-Henry反应的机理和对映选择性的本质。计算结果表明,催化循环包含三个主要步骤,即硝基甲烷脱质子,C-C键形成以及产物的质子化和催化剂的复原。C-C键形成步既是决速步,也是立体选择性决定步骤。理论计算证实了实验观察到的C6’-OH的重要作用,并给出了合理解释。本研究同时揭示了催化剂在反应中的双重作用,该作用对于提高反应活性和立体选择性十分关键。根据催化剂与反应底物间的结合形式不同,考察了三种可能的活化模式。结果表明,双活化模式比单活化模式更有利,证实了该双功能催化剂采取双活化模式的推测；而在双活化模式中,我们证实了一种与之前提出的传统的“离子对-氢键”型活化模式不同的“布朗斯特酸-氢键”型双活化模式。而且发现这两种活化模式在反应中均有可能存在,且“布朗斯特酸-氢键”模式更有利。在两种双活化模式中,均是生成S-型对映体的路径更有利,与实验现象一致。基于我们所建立的立体化学模型,成功预测了实验观测的对映选择性和溶剂效应,进一步验证了所提出模型的合理性。这些研究结果进一步加深了人们对氢键型催化剂催化模式的认识,为证明“布朗斯特酸-氢键”模型在金鸡纳碱催化反应中的普遍性提供了进一步的理论支持。研究还揭示了对映选择性的本质,结果表明多种非共价相互作用,包括传统氢键作用(N(O)-H…N(O)),非传统氢键(C-H…N(O))以及阴离子…π等,通过协同效应以稳定过渡态并控制立体选择性。本研究也揭示了色散作用在稳定过渡态和立体控制方面的重要性,强调了色散校正对于合理描述立体选择性的必要性,再次凸显了色散作用在催化反应中的重要意义,即使是在含有氢键和离子对结构的体系中。本研究有望为后续的金鸡纳碱以及其他氢键型手性催化剂的设计开发提供理论指导和新思路。3、汞(Ⅱ)催化的靛红及其亚胺Sakurai-Hosomi反应机理的理论研究采用密度泛函理论方法,研究了Hg(ClO4)2·3H2O催化的靛红及其亚胺衍生物与烯丙基三甲基硅烷间的烯丙基化反应的反应机理。采用热力学分析,考察了反应中的活性物种,表明在反应中很有可能形成二烯丙基汞的活性物质,与实验观察一致。结合实验结果,设计并研究了五种可能的反应路径,结果表明,在无催化剂条件下(路径Ⅰ),烯丙基三甲基硅烷与靛红的反应能垒非常高,预示反应很慢,与实验现象一致；而在二烯丙基汞的作用下(路径Ⅱ),能垒显著降低,反应顺利进行。在烯丙基高氯酸汞或高氯酸汞阳离子催化下,虽然反应能垒较路径Ⅰ降低很多,但仍显著高于路径Ⅱ,为动力学不利过程。本研究揭示了新的活化模式,即Lewis酸Hg(ClO4)2·3H2O并非直接去活化作为亲电试剂的靛红或亚胺,而是作为引发剂,首先生成了活性物种二烯丙基汞及TMSClO4。本研究进一步明确了反应中的活性物种,加深了对反应机理和Hg(Ⅱ)盐作用的认识,为全面理解Sakurai-Hosomi烯丙基化反应提供了一个新视角,也将为新反应和新催化剂的设计开发提供新思路。