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四川师范大学硕士学位论文 两个药物中间体合成反应机理的理论研究 专业：有机化学 研究生：张迪指导老师：李来才 摘要：喹啉酮( c a r b o s t y r i l ) 是一种重要的结构骨架，具有明显的生理活性，广泛 存在于各种生物碱和具有不同药理作用的药物分子结构中。喹啉酮结构的重要 的应用价值，引起了化学家们的广泛关注，并对其合成方法做了大量的实验研 究。因此，本论文的主要工作就是在实验的基础上，应用量子化学理论方法研 究若干喹啉酮类化合物的合成反应的微观反应机理，旨在探明这些反应的微观 反应历程和表征该反应过程中个中间体和过渡态的结构及能量变化情况，得到 其微观作用过程反应动力学和热力学数据，从而为了更好的开发基于该类骨架 单元的新型结构及其全新有效的合成方法提供有力的理论依据。所以，在第一 章对一些基本原理和计算方法做简要介绍后，第二章我们主要对三组分一锅反 应生成3 ( 4 h ) 一喹啉酮类化合物的反应机理进行密度泛函研究，具体工作如下： 运用量子化学密度泛函理论( d f t ) 优化了反应通道上个驻点( 反应物、 中间体、过渡态和产物) 的几何构型；通过能量与振动分析结果证实了各个中 间体和过渡态的结构，找到了4 条可能的反应途径，其中ia 即r e t s l 一m l t s 2 一n 心一t s 3 - - - i m 3 - - * t s 4 一m 5 一t s 7 一m 9 一t s l 3 一m 1 0 t s l 4 一p 3 这条反应通道具有相对较低的活化能，是反应的主要通道；然后用内禀反应坐 标( i r c ) 确认反应途径；理论计算的结果支持本文所设计的反应机理。然后 运用分子中的原子理论( a i m ) 分析了这些化合物的成键特征和轨道间的相互 作用；为了争取计算结果更接近于实际研究的体系，更为真实可靠，我们还运 用自洽反应场法s c r f ( p c m ) 计算了反应体系的溶剂化效应，结果表明反应过 程中各个物质的能量均比气相要低，说明溶剂化效应使得转化能垒有一定程度 的升高。由此我们可以得出4 一氟苯甲醛、b 萘胺和m e l d r u m 酸三组分一锅反 四川师范大学硕士学位论文 应生成1 ( 4 氟苯基) 1 ，2 二氢苯并 f 】喹啉3 ( 4 h ) 酮的反应机理与实验结果基本 吻合的结论。 在实际应用中，含有喹啉酮骨架以及其它类似芳香醚、芳香胺等片段的分 子，在染料、医药、日用化工品以及高分子聚合物的制备中都有着重要的地位。 因此，如何找到简单便捷绿色环保的方法去构建重要的分子骨架中的 c x ( x = c ，n o ) 结构一直是化学家们关注的焦点领域，在相关方面也已经取得 了一定的成果。其中过渡金属催化合成反应是该领域的一个重要研究方向。而 铜是一种经济而且低毒的金属，做为合成反应中的催化剂较钯、镍等毒性较强 的金属来说有着天然的优势。 因此，第三章我们主要选择了其中一个实验作为研究对象，即采用密度泛 函理论( d f t ) 中的b 3 l y p 方法，研究在c u i 催化下乙酰乙酸乙酯芳基化形成 2 苯基乙酰乙酸乙酯的微观反应机理。优化了反应过程中的反应物、中间体、 过渡态和产物，通过能量和振动分析结果证实了中间体和过渡态的真实，我们 推测，该反应有两个阶段。反应的决速步是第一阶段的第一步，即复合物3 经过过渡态4 t s 转化为中间体5 ( 3 4 t s 一5 ) 。其最小活化能为3 9 8 5 k c a l m o l 。 这表明该反应是可以发生的，且与实验结果一致。同时，为了更好的说明c u i 催化的效果，我们在相同方法和精度下研究了没有c u i 催化的条件下反应的历 程，其决速步的活化能为2 1 2 7 6 k c a l m o l ，明显高于有c u i 催化时反应的活化 能。所以，事实表明c u i 催化确实能够降低反应的活化能，促进反应的进行。 虽然溶剂化效应对反应也起着重要的影响，但是d m s o 溶剂几乎与气相一样， 这表明我们的计算结果是可信的，所揭示的c u i 催化形成2 一苯基乙酰乙酸乙 酯的微观反应机理与实验结果基本一致。 关键词：反应机理量子化学计算过渡态溶剂化效应 i i 四川师范大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a ls t u d i e so ns y n t h e s e sr e a c t i o nm e c h a n i s m o ft w 0p h a r m a c e u t i c a li n t e r m e d i a t e s m a j o r ：o r g a n i cc h e m i s t r y g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gd i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl il a i c a i a b s t r a c t ：t h eq u i n o l i n o n es k e l e t o ni sa ni m p o r t a n ts t r u c t u r a lm o i e t yw h i c hh a s o b v i o u sb i o l o g i c a la c t i v i t ya n dw i d e l yp r e s e n ti nav a r i e t yo fa l k a l o i d sa n d p h a r m a c o l o g i c a le f f e c t so fd r u g sw i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rs t r u c t u r e i nr e c e n ty e a r s ， t h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u eo f q u i n o l i n o n es p e c i a ls t r u c t u r eh a sa t t r a c t e dm u c h r e s e a r c hi n t e r e s ti nc h e m i s t s t h eg r o w i n gi m p o r t a n c eo ft h e s ec o m p o u n d sh a sl e d t ot h ed e v e l o p m e n to fn e wm e t h o d sf o rt h e i rs y n t h e s i s t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , o n t h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n t s ，w es t u d yt h em e c h a n i s mo fs o m es y n t h e s i sr e a c t i o n s b y t h e t h e o r y o fq u a n t u m c h e m i s t r ym e t h o d w ec a l c u l a t e t h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o no fi n t e r m e d i a t e sa n dt r a n s i t i o ns t a t e sa n dt h ee n e r g y c h a n g e ， g e t t i n gt h er e a c t i o nk i n e t i c sa n dt h e r m o d y n a m i c sd a t at op r o v et h ea u t h e n t i c i t ya n d a c c u r a c yo ft h em i c r o - r e a c t i o nm e c h a n i s m t h er e s e a r c hp r o v i d e sap o w e r f u l t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fn e wa n de f f e c t i v es y n t h e t i ca p p r o a c hi n q u i o l i n o n es k e l e t o n t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , w ew i l li n t r o d u c es o m eb a s i st h e o r i e sa n dc a l c u l a t i o n m e t h o d t h es e c o n dc h a p t e r ，w h i c hi st h em a i nw o r k ，i st h et h e o r e t i c a ls t u d yo n m e c h a n i s mo fo n e p o tr e a c t i o nt of o r mt h e 3 ( 4 h ) - q u i n o l i n o n ec o m p l e x w e i n v e s t i g a t et h er e a c t i o np r o g r e s sb yd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y , o p t i m i z et h e g e o m e t r i cc o n f i g u r a t i o n o ft h e r e a c t a n t s ，i n t e r m e d i a t e s ，t r a n s i t i o ns t a t e sa n d p r o d u c t s ，a n dc o n f i r me a c hi n t e r m e d i a t e sa n dt r a n s i t i o ns t a t es t r u c t u r et h r o u g h e n e r g yv i b r a t i o na n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a c t i o nh a v ef o u rp o s s i b l e i i i 四川i 师范大学硕士学位论文 c h a n n e l sa m o n gw h i c ht h ei ap a t h w a yt h a tr e t s l 一蹦1 一t s 2 一i m 2 一t s 3 一 i m 3 一t s 4 一m 5 一t s 7 一蹦9 一t s l 3 一m 1 0 一t s l 4 一p 3h a st h e1 0 w e s t a c t i v a t i o ne n e r g y ，i st h em a i na c c e s s a n dt h e nt h ei n t r i n s i cr e a c t i o nc o o r d i n a t e ( i r e ) m e t h o di sp e r f o r m e dt o s e a r c h t h er e a c t i o np a t h t h em a i nt h e o r e t i c a l p r e d i c t i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t i na d d i t i o n ，a t o m si n m o l e c u l e s ( a i m ) t h e o r i e sa r eu s e dt od i s c u s st h eb o n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e s e s u b s t a n c e sa n di n t e r a c t i o no fo r b i t a tl a s t i no r d e rt oi n s u r et 1 1 a tt h er e s e a r c h r e s u l t sc l o s et ot h e a c t u a ls y s t e m ，w ea l s oc a l c u l a t et h es o l v e n te f f e c t so ft h e r e a c t i o nb ys e r f ( p c m ) m e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a td u r i n gt h er e a c t i o nt h e e n e r g yo fe a c hs u b s t a n c ei sl o w e rt h a nt h eg a sp h a s e t h es o l v e n te f f e c t se n h a n c e t h ee n e r g yb a r r i e rt os o m ee x t e n t t h em a i nt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o ni sc o n s i s t e n tw i t h t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t i np r a c t i c e ，t h em o l e c u l e sc o n t a i n i n gq u i n o l i n o n es k e l e t o n ，a n do t h e rs i m i l a r a r o m a t i ce t h e r s ，a r o m a t i ca m i n e sa n do t h e rf r a g m e n t sh a v ea ni m p o r t a n tp o s i t i o ni n d y e ，m e d i c i n e ，d a i l yc h e m i c a l s ，a sw e l la s t h ep r e p a r a t i o no fp o l y m e r sa r e a t h e r e f o r e ，h o wt of i n dag r e e ns i m p l ea n dc o n v e n i e n tm e t h o dt oc o n s t r u c tt h ec - x ( x = c ，n ，o ) s t r u c t u r eo ft h ei m p o r t a n tm o l e c u l a rs k e l e t o n ，h a sa l w a y sb e e nt h e f o c u so ft h ec h e m i s t s c o n c e ma r e a s i nt h er e l e v a n ta r e a st h e yh a v ea l r e a d y a c h i e v e ds o m er e s u l t si nw h i c ht h ea r e ao ft r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y z e dr e a c t i o ni sa l l i m p o a a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n f u r t h e r m o r e ，c o p p e ri ss u c ha l le c o n o m i ca n dl o w t o x i c i t yo ft h em e t a lt h a ti th a san a t u r a la d v a n t a g er e l a t i v et op a l l a d i u m ，n i c k e la n d o t h e rt o x i cm e t a l s i nt h et h i r dc h a p t e r , w es e l e c to n eo ft h ee x p e r i m e n tt os t u d yi nt h et h i r d c h a p t e r ：t h e r e a c t i o nm e c h a n i s mo f c u i c a t a l y s e d f o r m a t i o no f e t h y l 2 - p h e n y l a c e t o a c e t a t eb yb e c k e t st h r e e p a r a m e t e rn o n l o c a le x c h a n g ef u n c t i o n a l a n dt h el e e ，y a n g ，a n dp a r rn o n l o c a lc o r r e l a t i o n f u n c t i o n a l ( b 3 l y p ) t h e g e o m e t r i e so ft h er e a c t a n t s ，i n t e r m e d i a t e s ，t r a n s i t i o ns t a t e s ，a n dp r o d u c t sh a v eb e e n o p t i m i z e da n dv e r i f i e db ym e a n so fv i b r a t i o nf r e q u e n c yc a l c u l a t i o n s a r y l a t i o no f e t h y la c e t o a c e t a t eh a sb e e ni n v e s t i g a t e db yd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r yu s i n gt h e i v 四川师范大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt oo u ra s s u m p t i o n ；t h i sr e a c t i o nc a l lb ed i v i d e di n t ot w os t a g e s t h e r a t e d e t e r m i n i n gs t e pi sf o u n dt ob et h e3 4 一t sp r o c e d u r e ，w h i c hi st h ef i r s t p r o c e d u r eo fs t a g e1 t h el o we n e r g yb a r r i e ro f3 9 8 5k c a l m o li n d i c a t e st h a tt h i s r e a c t i o ni sa b l et oc a r r yo u t w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lf a c t s f o r c o m p a r i s o n ，w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h er e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h es a m ec h e m i c a l r e a c t i o nw i t h o u tc u ic a t a l y s t , w h o s ee n e r g yb a r r i e ro fr a t e - d e t e r m i n i n gs t e pi s 2 1 2 7 6k c a l m o lh i g h e rt h a nt h a tw i t hc u ic a t a l y s t t h i sf a c ts u g g e s t st h a tc u i c a t a l y s ta c c e l e r a t e st h er e a c t i o nb yr e m a r k a b l yl o w e r i n gt h ee n e r g yb a r r i e r t h e s o l v a t i o ne f f e c t so nt h eb a r r i e r so ft h er e a c t i o na r ei m p o r t a n t b u tt h ee n e r g e t i c o r d e ri nd m s os o l v e n ts e e m st ob ea l m o s tt h es a m ea st h a ti ng a s p h a s e ，w h i c h i n d i c a t e st h a to u rc o n c l u s i o na c h i e v e di n g a s p h a s ei sb e l i e v a b l e o u rf i n d i n g s r e v e a l t h em i c r o s c o p i cc a t a l y t i cm e c h a n i s mo fc u ia n da r ei na g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n tf a c t s k e yw o r d s ：r e a c t i o nm e c h a n i s mq u a n t u mc h e m i c a lc a l c u l a t i o n t r a n s i t i o ns t a t es o l v e n te f f e c t s v 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师奎盎茎整蕉指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：己提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供 检索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或解密 后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、浏览。 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权 学位论文作者签名： 旌之 签字日期：2 彳9 年；月玎日 日 四川i 师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 量子化学的理论背景 研究分子结构的主要任务是运用原子核和电子相互作用和制约的基本物 理规律来探索那些制约分子的化学组成、结构和性质的各种化学规律。由于以 薛定谔方程为基础的量子理论的建立，对于原子核和电子之间相互作用和制约 的物理规律，赋予了定量的描述，为探索分子运动的各种化学规律创造了必要 的理论前提。一门学科朝着精密和定量化的方向发展，是科学进步的表现，也 是现代化学发展的趋势。量子化学的发展使更多的有机问题，诸如分子的大小、 形状、电荷分布、电磁和热稳定性、基态和过渡态能量以及激发态的性质等， 都可以运用计算的方法更加精确的加以描述。随着计算机技术的飞速发展和新 的计算方法的产生，目前已经可以对比较复杂的生物分子进行量子化学从头计 算及对纳米级的分子聚集体进行分子模拟。分子模拟已经在药物分子设计中发 挥了重要作用。 1 2 基本理论与计算方法 1 2 1 基本理论 基础理论【l 叫主要有群论方法及其应用、密度矩阵与密度泛函理论、现代 价键理论以及二次量子化方法等。量子化学计算方法主要涉及三大方面：高精 度量子化学计算方法、大体系量子化学计算方法和高速度量子化学计算方法。 其中包括的相关能效应、高精密度矩阵方法、凝聚态物质、表面量子计算方法 以及量子统计方法等，都是运用比较广泛的计算方法。下面我们仅对本论文所 用到量子化学计算方法的一部分做简要介绍。 1 2 1 1 密度泛函理论 密度泛函理论( d f t ) 7 - 9 1 是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方 法，是近十几年发展起来的第三类电子结构方法。在该方法中，用电荷密度函 数代替单电子波函数来描述体系的状态，正因如此，在处理大的体系时，不管 粒子数目是多少，粒子密度分布只是三个变量的函数，这样使得问题可以得到 极大的简化。从数学的角度考虑：我们只需要找出能够满足密度泛函的方程， 四川师范大学硕士学位论文 求解该方程得到体系粒子的密度函数，从而计算体系的各种性质。从化学的角 度理解：即把处在一个外部静电势中的电子相互作用而产生的多体问题，简化 成了一个没有相互作用的电子在有效势场中运动的问题。正因如此，该理论被 广泛用于计算过渡态、活化能、偶极矩以及其它一些分子的结构和性质，在计 算化学和固体物理学领域显示出它的巨大优势。 密度泛函的理论基础是关于非均匀电子气的理论，可以归结为两个基本定 理： 定理一：不计自旋的全同费米子系统的基态能量是粒子数密度函数的唯一 泛函。 定理二：能量泛函在粒子数不变条件下对正确的粒子数密度函数取极小 值，并且等于基态能量。 因为这两个定理是由p h o h e n b e r g 和w k o h n 提出来的，所以这两个定理 可以统称为h o h e n b e r g k o h n 定理，简称h k 定理。 1 2 1 2 过渡态理论 过渡态理论【1 0 1 3 】研究的是反应过程中分子碰撞时所发生的情况，即反应物 分子碰撞时的能量和方位如何，并试图说明发生真正有效碰撞如此少的原因。 过渡态理论以活化配合物的能量和几何形状来考虑化学动力学问题，用反应的 势能图来说明发生的变化。过渡态对研究化学反应的反应机理起着至关重要的 作用，它是化学键生成和断裂的中间态，其结构极不稳定，可以生成产物，也 可以返回到反应物。现在可以利用分子力学、量子化学等方法，从理论上找到 过渡态的分子结构，从而阐述化学反应机理及结构与反应活性的关系。 1 2 1 3 溶剂化效应 溶剂对反应速率、化学平衡以及反应机理的影响称为溶剂化效应 4 1 ( s o l v e n te f f e c t ) 溶剂化效应主要通过溶剂的极性以及氢键、酸碱性等产生作 用。如对反应速率的影响取决于溶剂对过渡态及反应物的作用情况，若过渡态 极性比反应物大，则极性溶剂对过渡态的稳定作用大于对反应物的稳定作用 ( 即过渡态效应占优势) ，因而，增加溶剂极性，反应速率加快。反之，溶剂 2 四川师范大学硕士学位论文 极性减小，反应减速【1 5 1 。 目前计算溶剂效应的方法【1 6 】主要有两种：一种是自洽反应场( s c l 讧) 理论 计算法；另一类是将量子力学( q m ) 和分子力学( m m ) 结合起来，分别用量子力 学和分子力学来计算化合物及所在溶剂的结构与性质。本文皆选用前一种计算 方法来研究溶剂化效应。 1 2 1 4 内禀反应坐标理论( i r c ) 内禀反应坐标1 7 。1 8 】的定义为：由鞍点开始向具有虚频率的简正坐标的两 个方向的非能量守恒，零动能的经典轨迹。它是从一个平衡点达到一个过渡态 的方程解，方程被称为承c 方程。m c 为在多维面上的一条平滑曲线，其扫 迹可以给出在反应中原子如何移动的很好预示。内禀反应坐标理论可以阐明体 系在反应途径上每一处所受到的作用力与核位移之间的关系，是从过渡态寻找 反应路径的有效方法。 1 2 1 5 分子中的原子理论( a i m ) 分子中的原子理论【1 9 之0 1 提出，该理论以电子密度分布的临界点为基础， 定义了原子、键和化学结构。a i m 理论通过分析两个相互作用的原子间形成 的键临界点( b c p ) 可以确定分子内相互作用，描述反应过程中旧键断裂、新 键形成的细节。 1 2 1 6 自然轨道理论( n b o ) 自然键轨道理论【2 1 之3 1 最先提出的概念是：以一组自然轨道能组合成的一个 单电子基函数，并由此基函数可以构成n 粒子体系的电子组态。n b o 计算和 分析主要体系在以下几个方面： ( 1 ) 体系中原子的电荷值。它不同于m u l l i k e n 电荷，其显示出了更高的 数值准确性。 ( 2 ) 确定体系中各种化学键的类型。 ( 3 ) 确定化学键的杂化成分。 ( 4 ) 描述l e w i s 结构。 3 四川师范大学硕士学位论文 ( 5 ) 确定化学键的键级。 ( 6 ) 通过电荷转移描述化学键之间的相互作用。 ( 7 ) 核磁共振描述 1 。2 2 量子化学计算 量子化学计算主要应用于单点能计算、几何优化和频率计算2 4 之6 】等等，计 算所使用的程序中g a u s s i a n 程序的应用最为普及，本文的所有工作就是在此 程序下进行的。它计算的范围非常广泛。 1 2 2 1 单点能计算 单点能计算是对具有特定几何结构的分子的总能量和有关性质的计算，是 对分子势能曲面上某一点进行计算的。单点能是电子能量与核排斥能之和，精 确的单点能计算应进行零点振动能校正。单点能计算的有效性取决于输入分子 结构的合理性。主要用于获得关于分子的基本信息；检验用作几何优化初始点 的分子结构的一致性；计算采用低水平理论进行几何优化后分子能量的精确值 和其它性质。 1 2 2 2 几何优化 势能面表示的是分子能量与分子结构的数学关系。分子体系的能量随结构 的变化可以用势能面来说明，势能面的维数等于分子内坐标的自由度数。势能 面的极小值点出现在体系的平衡结构处，势能面上的鞍点对应于体系的两个平 衡状态之间的过渡态结构。 几何优化是通过确定势能面的极小值点来预测体系的平衡结构，通过寻找 鞍点来预测体系的过渡态结构的。在势能面上分子受力为零的点，称为稳定点。 1 2 2 3 频率计算 在能量计算和几何优化过程中分子体系的振动往往是被忽略不计的，即将 分子中各个原子核看成是固定不动的。实际上，分子中各原子核在平衡位置附 近不断的振动。当分子的结构为平衡结构时，这些振动是有规律的，并且是可 4 四川i 师范大学硕士学位论文 以预测的，因此，可以通过分子的特征振动谱来确定分子结构，所以，对分子 的振动频率进行计算，就可以以此了解分子的相关信息。 基于频率计算的性质，频率计算只有在势能面上的稳定点进行才能有效， 因此，我们在进行频率计算之前都必须先对分子结构进行几何优化，然后再在 相同基组水平下进行频率的计算。 1 3 本工作的目的和意义 理论化学计算和实验研究的紧密结合大大改变了化学作为纯实验科学的 传统印象，有力推动了化学各个分支学科的发展。通过实验我们可以测量结合 能、反应能和反应活性等热力学和动力学数据，结合基础化学知识人们提出了 键激发、基团转移( 包括氢转移) 、电荷转移等反应机理。尽管如此，由于技 术本身的限制，实验研究还不能提供我们所需要的所有信息，不能揭示结合和 反应机理的本质特性。现在在量子力学基础上发展起来的量子化学及相关计 算，为我们开辟了通向微观世界的又一个途径。量子化学【2 。7 】是用量子力学的 原理研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间作用力、化学 反应理论、各种光谱、波普和电子能谱的理论，以及无机和有机化合物、生物 大分子和各种功能材料的结构和性能关系的科学。 有机化学反应机理是用于解释反应物通过化学反应变成产物所经历的全 过程，即揭示了有机反应物分子中原子在反应期间所通过的一系列步骤，从开 始到终了的全部动态过程，包括试剂的进攻、反应中间体的形成、直到最后的 产物。而有机化学反应机理的理论研究就是用计算机模拟这些化学反应的过 程，从微观的角度，找出反应过程中所有的基元反应和可能产生的中间体及反 应过渡态的构型。对多组份体系之间的反应，可以结合计算所得到的结构，利 用过渡态理论计算化学反应绝对速率常数，找出反应的主要途径。化学反应过 程伴随着电子转移的过程，所以也可以说化学反应过程实质上是电子的转移过 程。所以理论研究化学反应机理，就可以通过对反应过渡态构型的计算得到其 能量、电荷分布情况等，从而得出在r t s p 过程中分子上各原子的电荷变 化情况，显示化学反应的微观特征，关于这一点实验研究方面是做不到的。 众所周知，反应时分子的振动和碰撞是在极短时间内瞬间完成的。目前在如此 四川师范大学硕士学位论文 短时间内观测分子和原子运动的手段尚不完善，还主要是根据反应中观察到的 现象来推断反应可能经过的历程，即所谓的反应机理。所以，为了提高其准确 性和可信度，就可以通过量子化学计算，来了解瞬息之间发生的化学反应，或 预测某些激发态和过渡态的几何构型，还有可能了解生物大分子中某一活性位 的电荷转移，为实验提供有利的补充，进而对反应机理做出合理的解释。如此 一来，由实验和基础化学知识定性推得的反应过程与机理的正确性就可以得到 进一步的确认，使人们能够更深入地认识反应的本质和规律。由此可见，理论 研究和实验研究在有机化学中相互印证、相互补充，从而促进该领域的发展。 随着计算机技术的不断发展，计算机处理器从双核甚至到四核的发展，以及内 存的升级换代，使得用量子化学的计算理论对反应体系的处理变得越来越简便 快捷，计算量子化学越来越成为分析反应机理的有力武器。 参考文献 【l 】程云峰，龙翔云，曹艳军计算化学的应用【j 】化工技术与开发，2 0 0 7 ，3 6 , 2 6 2 8 2 】卢翠英，计算化学研究进展【j 】榆林学院学报，2 0 0 4 ，1 4 ，4 8 5 1 【3 】帅志刚理论化学研究进展以及在可持续发展中的应用【j 】化学进展，2 0 0 9 ， 2 1 ，2 2 5 9 - 2 2 7 0 4 】徐光宪理论化学与下世纪“化学学科重组”前瞻 j 】结构化学，2 0 0 0 ，1 9 ，7 4 7 7 5 】田杏霞，任怀庆，利用密度泛函理论处理多原予分子问题的优势【j 】通化师范学院学 报，2 0 0 5 ，2 6 , 4 2 4 3 【6 】6 徐昕，王南钦，吕鑫，张乾二量子化学的研究现状、发展趋势与展望【j 】化学进展， 1 9 9 6 ，& 3 0 - 4 2 【7 】h e h r e ，w jj ；r a d o m ，l ；s c h l e y e r , p a bi n i t i om o l e c u l a ro r b i t a lt h e o r y m n e wy o r k ： 1 9 8 6 ，1 2 3 1 2 4 【8 】c h o n g ，d p r e c e n ta d v a n c e si nd e n s i t yf u n c t i o n a lm e t h o d s m 】s i n g a p o r e ，w o r l d s c i e n t i f i c ，19 9 5 ，5 6 4 5 6 5 【9 】r a p a v a c h a r i ，k ；p o p l e ，j a ；r e p l o g ，e s ；h e a d g o r d o n ，m ；f i f i l lo r d e rm o l l e r - p l e s s e t p e r t u r b a t i o n t h e o r y ：c o m p a r i s o no fe x i s t i o nc o r r e l a t i o nm e t h o d sa n di m p l e m e n t a t i o no f n e wm e t h o d sc o r r e c tt of i f t h - o r d e r j z p h y s c h e m ，1 9 9 0 ，鲜，5 5 7 9 - 5 5 8 6 6 四川i 师范大学硕士学位论文 【1 0 詹姆斯e 布雷迪，杰勒德e 休米斯普通化学原理和结构 m 】北京：中国科 学技术大学出版社，1 9 9 0 ，1 7 5 【1 1 】傅献彩，沈文霞，姚天扬物理化学【m 】( 第四版) 北京：高等教育出版社，1 9 9 0 ， 7 1 2 8 1 0 1 2 】林智信，安从俊物理化学【m 】( 第一版) 武汉：武汉大学出版社，2 0 0 3 ，1 0 2 【1 3 】宝迪过渡状态理论的发展及应用综述【j 内蒙古石油化工，2 0 0 6 ，3 ，5 1 - 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