含氮有机小分子主要包括有机碱、氨基酸等,具有良好的催化性能,在多种不对称催化反应中得到了广泛的应用,然而当前对含氮有机小分子催化的不对称反应的认识仍然不够深入、全面。因此对含氮有机小分子催化的不对称反应进行理论研究,具有重要的意义,能在一定程度上推动相关实验研究的发展。本论文中从理论的角度研究了含氮有机小分子催化的不对称脱羧-羟醛缩合反应、不对称半频哪醇重排反应、不对称分子间/分子内羟醛缩合反应,在以下几个方面取得了创新性的研究进展:(1)基于实验结果进行理论计算,提出了含氮有机小分子催化反应的最有可能的机理。(2)深入探究了含氮有机小分子在反应的立体决定步过渡态中,控制反应的立体选择性的具体方式。(3)研究了含氮有机小分子对有机化学反应造成的影响。(4)阐述了不同含氮有机小分子催化剂的结构差异对反应的产率和立体选择性造成的影响。本学位论文主要分为六章,以下是各章内容简介:第一章,绪论。本章介绍了有机催化剂的种类,含氮有机小分子催化(或促进)反应的模式、控制反应立体选择性的方式,简述了手性噁唑啉、金鸡纳类生物碱及其衍生物、手性氨基酸及其衍生物催化(或促进)的不对称反应,并分析了当前研究存在的问题。第二章,理论基础与计算方法。本章简要介绍了密度泛函理论(DFT)与常用的密度泛函方法、隐式溶剂模型、色散校正、自然布居分析方法(NPA)、过渡态理论、概念密度泛函(CDFT)理论、扭曲能-结合能分析、分子中的原子量子理论(QTAIM)分析、非共价作用(NCI)分析、立体化学等相关知识。第三章,手性双噁唑啉催化的不对称脱羧-羟醛缩合反应机理和立体选择性研究。本章通过理论计算研究了手性双噁唑啉催化的β-羰基羧酸与三氟乙醛及其半缩醛之间的不对称脱羧-羟醛缩合反应,其中三氟乙醛半缩醛作为底物时能生成高立体选择性的产物(95%ee),而三氟乙醛作为底物时产物的立体选择性会降低(28%ee)。本章通过DFT计算,结合CDFT相关内容,研究了这两个反应的机理;同时采用QTAIM分析、NCI分析、扭曲能-结合能分析等方法,探究了反应立体选择性的起源以及手性双噁唑啉催化剂在反应中起的作用。当三氟乙醛半缩醛作为反应物时,反应经历了半缩醛分解、亲核加成、脱羧、烯醇式-酮式互变异构等步骤,其中亲核加成为决速步和立体决定步,手性双噁唑啉显著增强了亲核加成反应中β-羰基羧酸的亲核性;扭曲能与结合能都会影响决速步过渡态的能量,进而影响不同反应途径的速率;立体决定步过渡态的Δ(-TS)值是影响反应立体选择性的主要原因。当三氟乙醛作为反应物时,反应经历了亲核加成、脱羧、烯醇式-酮式互变异构等步骤,其中亲核加成为立体决定步,但手性双噁唑啉没有显著增强亲核加成反应中β-羰基羧酸的亲核性。理论计算预测的反应立体选择性与实验结果相一致。第四章,奎宁衍生的一级胺催化的不对称半频哪醇重排反应机理和立体选择性研究。当使用Br?nsted酸作为添加物时,奎宁衍生的一级胺能够催化3-(1-羟基环丁基)-环己烯酮发生不对称半频哪醇重排反应。本章通过理论计算研究了N-叔丁氧羰基-_L-苯基甘氨酸(NBLP)作为Br?nsted酸添加物时的反应机理,反应经历了催化剂与底物和Br?nsted酸添加物的结合、亲核加成、脱水、碳原子迁移、烯胺-亚胺互变异构、亚胺水解、Walden翻转、催化剂再生等步骤,其中碳原子迁移为立体决定步。当使用NBLP的对映异构体N-叔丁氧羰基-_D-苯基甘氨酸(NBDP)作为Br?nsted酸添加物时,反应的立体选择性明显降低,理论计算预测的反应立体选择性与实验结果相一致。扭曲能-结合能分析与NCI分析表明分子内位阻排斥作用控制了反应的立体选择性,立体决定步过渡态的Δ(-TS)值影响了NBLP与NBDP参与反应的立体选择性。第五章,不对称羟醛缩合反应中手性氨基酸及其衍生物的催化活性和反应立体选择性研究。本章通过理论计算研究了2个反应。在手性氨基酸及其衍生物催化的丙酮与4-硝基苯甲醛的分子间不对称羟醛缩合反应中,大多数催化剂中伯氨基或仲胺基N原子的简缩原子福井函数都能合理地预测其与丙酮亲核加成反应过渡态的相对Gibbs自由能;催化剂的结构会影响其与丙酮生成的烯胺的稳定性,进而影响羟醛缩合反应过渡态的相对Gibbs自由能与反应产率;催化剂结构也会影响其与4-硝基苯甲醛之间的位阻排斥效应,从而影响反应的立体选择性。在二羰基化合物的分子内不对称羟醛缩合反应中,羟醛缩合反应过渡态结构的整体扭曲程度决定了反应的立体选择性;催化剂体积增大会升高羟醛缩合反应过渡态结构中分子内位阻排斥作用,从而提高反应的立体选择性;催化剂的酸性增强会降低羟醛缩合反应过渡态的能量,且过渡态结构更接近羟醛缩合反应产物结构。理论计算预测的反应活性和立体选择性与实验结果相一致。第六章,总结与展望。本章对本论文的研究内容进行了总结,阐明了研究取得的进展,并且指出了研究中尚未解决的问题和需要后续深入研究的方向。