题目：溴化亚铁催化胺化C-H键合成氮杂环化合物的理论研究

苯并咪唑和吲哚是非常重要的氮杂环化合物，它们在药物合成及染料工业等方面都有着广泛的应用前景。为此已开发出很多合成方法，其中传统合成方法如邻二氨基苯与醛及羧酸反应、苯并咪唑烷基化反应等，这些合成方法虽然具有简单、易操作等优点，但难以实现选择性合成，因此人们又发展了过渡金属催化的合成方法。这个方法在选择性合成方面有着出色的表现，但其具体的催化机理目前仅提出初步推测，未见其详尽的理论研究报道。


       本文采用量子化学计算方法主要研究了溴化亚铁催化芳基叠氮化物合成苯并咪唑和吲哚的反应机理。虽然除了铁之外还有很多优秀的金属可供选择，但考虑到铁的廉价和环境友好等特点，本文选择用溴化亚铁进行研究。具体研究内容如下：


一、第一章描述了合成氮杂环化合物的研究意义并简单叙述了相关的合成方法。其中过渡金属催化C-H键胺化反应合成氮杂环化合物的方法是本文的重点关注对象，主要从分子内和分子间胺化反应两个方面介绍了当前的研究进展情况。然后在第二章简单介绍了量子化学的理论基础和计算方法，包括Schrödinger方程、Hartree-Fork方程、密度泛函理论、过渡态理论、内禀反应坐标(IRC)以及溶剂效应等。


二、第三章具体研究了溴化亚铁催化合成苯并咪唑的反应机理，结果表明，溴化亚铁和叠氮化物反应通过分步机理进行。溴化亚铁先和叠氮化物中Nα结合，消去一分子氮气后生成金属氮烯，然后金属氮烯进攻sp2C直接形成C-N键，这是一个无能垒的过程。最后再经过氢迁移的异构化过程得到最终产物苯并咪唑。


三、第四章具体研究了溴化亚铁催化合成吲哚的反应机理，并讨论了其区域选择性问题。在这个反应中，溴化亚铁和叠氮化物作用，消去氮气形成金属氮烯，然后金属氮烯和sp3C-H键通过协同氢迁移的反应形成C-N键，在C-N键的成键过程中，sp3C-H键上的H向N迁移得到3,3-二取代吲哚。然后3,3位上的两个取代基进行选择性竞争迁移反应，最终得到产物2,3-二取代吲哚。计算结果还表明，3,3位上两个取代基的竞争优先顺序依次为：氢>苯>乙基>甲基，其中取代基苯上取代基的电子性质对迁移反应无明显影响。计算结果和实验报道是一致的。