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八元碳环存在于许多重要的天然产物和药物分子中。如用于抗癌的紫杉醇药物(Taxol)和用于抗菌的截短侧耳素(Pleuromutilin)中都有八元碳环骨架的存在。合成这些具有八元碳环的天然产物和药物分子是现代有机合成化学的难题之一。这是因为传统的合成八元环的反应需要克服较大的张力和跨环非键作用力。另外，传统的合成八元环的反应还受到不利的熵和焓因素的影响。金属催化的环加成反应是一类很好的用于构建不同环系的方法，它可以克服传统关环反应的缺点，从而可以有效地用于八元碳环的合成。到目前为止，虽然已有一些金属催化的环加成反应可用于八元碳环的合成，但它们的普适性还有些局限。因此发展高效的和有很强普适性的新的金属催化的环加成反应，来用于八元碳环的合成将非常重要。本论文就是为了实现这个目标，通过计算化学和有机合成化学相结合，设计并实现了一类新型的高效构建并环八元环骨架的金属Rh(I)催化的[(5+2)+1]环加成方法。并用量子化学计算对该反应的机理进行了详细地研究，解释了反应的各种实验现象和立体选择性。同时，还将该方法拓展到5-8-5环系和5-8-6环系的合成中。该论文主要包括以下这些部分：
一.铑催化的两组份的[(5+2)+1]环加成反应方法学的发展
通过量子化学的B3LYP理论计算和实验研究相结合，设计并发展了一个新的[Rh(CO)2Cl]2催化的两组份分子内的烯烃-乙烯基环丙烷(ene-VCP)分子和CO分子的[(5+2)+1]反应。设计的关键点是：通过CO的引入，将不利的(sp3)C-Rh-C(sp3)还原消除转变为易进行的(sp3)C-Rh-C(sp2)迁移式还原消除。该[(5+2)+1]反应适应多种臂链和取代的底物，可以高效、快速、简单和立体选择性地构建5-8和6-8并环环辛烯酮，为八元碳环天然产物的全合成提供了一个非常有前景的合成方法。
二.Rh(I)催化的两组份分子内的[(5+2)+1]环加成反应的机理及立体选择性的研究
用DFT(B3LYP)计算了Rh(I)催化的两组份的ene-VCP和CO的[(5+2)+1]环加成反应的机理，了解了整个反应的各个步骤。计算结果表明：整个[(5+2)+1]环加成反应的途径是经由配体交换，三元环配位开环，烯键配位插入，CO的配位插入和迁移式还原消除构成的。反应的决速步是双键插入到C-Rh键这一步，它要求CO的解离以生成14e中间体，以便双键的配位和之后的插入。[(5+2)+1]反应中生成的两个手性桥头碳的立体构型是由双键插入步骤决定的。通过分别具体计算生成5-8和6-8并环产物时双键顺式和反式插入的两种过渡态，我们发现影响并环立体选择性的是：将要成环的环张力、底物的取代情况和顺反构型导致的空间位阻因素。另外，通过DFT计算结果和动力学实验，我们发现并证实了反式ene-VCP较顺式ene-VCP的反应活性高。
三.利用Rh(I)催化的[(5+2)+1]环加成反应构建[5-8-5]和[5-8-6]环系
许多天然产物中含有5-8-5并环骨架，如果在底物的环丙烷部分并上五元环或六元环，则可能通过[(5+2)+1]反应一步实现多环体系的构建。对于三元环上并上了五元环的ene-VCP底物，理论计算的结果显示，在能量上生成5-8-5并环结构的断裂方式较为有利。上述计算上的预测得到了实验上的支持，实验上我们得到了一系列的5-8-5并环化合物，并确定了解了其立体选择性。另外，该环加成反应也可用于CP环上并有六元碳环的ene-VCP底物，可以高效得到具有三环体系的[(5+2)+1]产物。