（无机化学专业论文）5取代123三唑互变异构反应机理的理论研究.pdf

5 取代1 ，2 ，3 三哇互变异构反应机理的理论研究中文摘要 5 取代1 ，2 ，3 三唑互变异构反应机理的理论研究 中文摘要 本文采用g a u s s i a n 9 8 w 程序包中的密度泛函b 3 l y p 6 3 1 l h g + + 方法对气相和水 相中的l ，2 ，3 三唑及5 - 卤( - f 、- c l 和b r ) 代1 ，2 ，3 三唑；5 ( c h o 、c f o 、c h s 和 - c f s ) 取代l ，2 ，3 - 三唑；5 - ( 一0 h 和- s h ) 取代l ，2 ，3 三唑和5 - c o o h 取代1 ，2 ，3 三唑，共 计四个系列的互变异构体进行了几何构型全自由度优化，获得了它们在气相和水相中 的几何构型和电荷分布，讨论了取代基团的不同和溶剂化效应对互变异构体的几何构 型、能量和电荷分布以及互变异构反应活化能的影响等；并进一步研究了n 1 h 、n 2 h 和n 3 h 型三唑之间的互变异构机理：( a ) 分子内质子迁移；( b ) 水助质子迁移。计 算结果显示：b 途径所需的活化能较低，大约仅为a 途径的一半。 关键词：1 , 2 ，3 三唑：异构体；过渡态；质子迁移；密度泛函理论 作者：姜恒香 指导教师：李宝宗( 副教授) 5 取代1 , 2 ，3 三睦互变异构反应机理的理论研究 英文摘要 t h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h er e a c t i o nm e c h a n i s mo f t a u t o m e r i z a t i o no f5 - s u b s t i t u e d - 1 ，2 ，3 一t r i a z o l e s a b s t r a c t m o l e c u l a rs t r u g t u r e so f l z 3 - t r i a z o l e sa n dc 5 - ( 一f ，- c 1 ，- b r ；- c h o ，- c f o ，c h s ，c f s ； o h 一s h ；- c o o h ) s u b s - t i m e d t r i a z o l et a u t o m e r sw e r ec a l c u l a t e db yt h eb 3 l y p m e t h o da tt h e6 - 3 1 l + + g ”l e v e lb o t hi nt h eg a s e o u sa n da q u e o u sp h a s e s 、v i t l lf u l l g e o m e t r yo p t i m i z a t i o n t h eg e o m e t r i c a la n de l e c t r o n i cs t r u c t u r eo ft h et a u t o m e r so f 1 , 2 ，3 - t r i a z o l e sa n dc 5 一s u b s t i t u e d - t r i a z o l ea n dt h e i rt r a n s i t i o ns t a t e sw e r eo b t a i n e d t h e i n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n ts u b s t i t u e n t sa n ds o l v e n te f f e c to nt h e g e o m e t r i c a l s t r u c t u r e , e n e r g y , c h a r g ea n da c t i v a t e de n e r g yw e r ed i s c u s s e d t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo f t a u t o m e r so f1 , 2 ，3 - t r i a z o l e sa n dc 5 一s u b s t i t u e d t r i a z o l ew e r ea l s os t u d i e d n e r ea r et w o r e a c t i o np a t h w a y s ：( a ) i n t e r m o l e c u l a rp r o t o nt r a n s f e r ；( b ) w a t e r - a s s i s t e di n t e r m o l e c u l a r t r a n s f e r t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o w e dt h a tp r o c e s s ( b ) h a sl o w e ra c t i v a t i o ne n e r g i e st h a n ( a ) k a y w o r d s ：1 , 2 ，3 - 1 r i a z o l e ；t a u t o m e r s ；t r a n s i t i o ns t a t e s ；p r o t o nt r a n s f e r ；d f t w r i t t e nb yj i a n g h e n g x i a n g s u p e r v i s e db yl ib a o z o n g ( a s s o c i a t e dp r o f e s s o r ) l i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，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 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：姜捶耄 日期：垫丑! 呈应 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：姜握刍日期：幽，垒! 导师签名：拯 日期：望嘘2 5 取代l ，2 3 三唑互变异构反应机理的理论研究 第一章 第一章绪论 1 1 量子计算化学的发展 量子化学是用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的- t 7 基础学科。2 0 世 纪末，海特勒伦敦应用量子力学方法处理氢原子和氢分子，标志着量子化学计算的 开始。量子化学与结构化学的出现使化学研究由宏观进入微观，标志着人类对物质 的认识开始“由表及里”。 量子化学的发展大体分为三个阶段：第一阶段是创建阶段，主要着眼于建立一 套完整的理论，由于数学方法及计算上的困难，除极其简单的体系外，几乎没有实 际计算和应用的可能；第二阶段是验证阶段，由于数学模型的改进，特别是计算机 的发展，开始了一些近似计算，但目的仅仅是验证理论的正确性以及方法的准确程 度；第三阶段是实际应用阶段，即应用量子化学的理论预测实验事实，或者用量子 化学的计算结果纠正直至否定已有的实验结论。 量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之 间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等 问题。量子化学可以分为基础研究和应用研究两大类：基础研究主要是寻求量子化 学中的自身规律，建立量子化学的多体方法和计算方法等，多体方法包括化学键理 论、密度矩阵理论和传播子理论，以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的 应用等；应用研究主要是利用量子化学方法处理化学问题，用量子化学的结果解释 化学现象。 目前，量子化学已发展成为一门成熟的学科，它不仅渗透到化学的各个分支， 而且还对相关的学科如：分子物理学、生物化学、材料学和天体物理学产生了重大 影响。它不仅被用于解释实验结果，而且还被用于预测分子的结构、过渡态和反应 途径；预见分子的电学、磁学和光学性质；以及大分子、晶体和溶液中分子间的相 互作用。量子化学的成功彻底改变了化学是纯粹实验科学的面貌。今天，理论计算 与实验一样，已经是化学家们日常工作的重要组成部分。 1 2 量子化学计算方法简介 5 取代l 。2 3 - 三唑互变异构反应机理的理论研究第一章 近年来，随着量子化学计算方法和计算机科学的迅速发展，量子化学所能计算 的体系也越来越大，计算的精度也越来越高。对小分子体系，已经能进行较精确的 结构优化，并可在理论上预测反应的能垒、振动频率等参数。对于大分子体系也发 展了相应的经验和半经验的量子化学计算方法。“量子化学已经不再是解释性的”， 它在分子层次的新物质创造中起着无可替代的作用【”。 然而，要获得好的理论结果，必须要有正确可靠的计算方法。下面将对目前常 用的计算方法进行简单的介绍。 1 2 1a bi n i t i oh a r t r e e f o c k ( h f ) s c f 方法 从头算( a bi n i t i oc a l c u l a t i o n ) 方法，是求解多电子体系问题的量子理论全电子 计算方法【”1 。它在分子轨道理论基础上，仅利用三个基本物理常数( p l a n k 常数、 电子静止质量和电量) ，不借助经验参数，计算全部电子的积分，达到求解量子力 学s c h r 6 d i n g e r 方程。由于在理论上的严格性和计算结果的可靠性，使它在各种量子 化学方法中居于主导地位。从头算得到各类体系( 原子、离子、分子、原子簇及化 学反应体系等) 的电子运动状态及其有关的微观信息，能合理地解释与预测原子间 的键合、分子的结构、化学反应的过程、物质的性质以及有关实验观测结果。从头 计算法以三个近似为基础：非相对论近似、b o r n - o p p e n h e i m e r 近似、轨道近似。在 此基础上，严格计算各种积分，然后解久期行列式。从头算法基于g a u s s 基( g 1 o ) 展开原子轨道。 h a r t r e e f o c k ( h f ) 的能量具有下列形式： e h f = v + + l ，2 - 1 2 其中，v 代表原子排斥能，p 代表密度矩阵， 是电子能量( 动能+ 势能) ，i 2 是经典库仑电子排斥能，并且1 2 是来源于电子的量子( 费米) 本性交换能。 h f 方法计算相互作用能( a e “1 的公式为： a e i n t h f - - = e t l t v - e i h f 其中，e i 为超分子体系的能量，e i 为子体系的能量。由于普通的h f 方法没有考虑电 子相关，而电子相关对弱相互作用来说是不能忽略的，再加上基组重叠误差( b a s i s s e ts u p e r p o s i t i o ne r r o r ，b s s e ) 刚和大小一致性误差( s i z e - c o n s i s t e n c ye r r p r ，s c e ) ，所 2 5 取代1 ，2 3 - 三畦互变异构反应机理的理论研究第一章 以该方法在计算弱相互作用时往往不是很可靠。如果进行电子相关误差、基组重叠 误差和大小一致性误差的矫正，则需很大的计算机资源，因此在实际计算中，特别 是进行大分子计算时是有困难的。 弱相互作用体系构型的h f 优化方法是将整个体系作为一个整体进行优化，寻找 位能面上的极小点。由于弱相互作用，体系能量的微小改变将导致分子构型的较大 变化，故h f 方法优化得到的几何构型不稳定，往往随基组的变化而发生较大的改变。 1 2 2m o l l e r - p l e s s e t 微扰法( m p ) f 5 】 量子体系的哈密顿算符n 不是时间的显函数时，通常只需求解定态薛定谔方 程，讨论定态波函数。但是，量子力学中可用定态薛定谔方程解析严格求解的问题 很少，大部分问题只能求助于近似方法近似求解，其中微扰论是最主要、最常用的 近似方法之一。 微扰方法解决问题的基本思想是：首先把真实系统加以简化，使简化系统的方 程是精确可解的，然后再把真实系统中没有考虑的因素考虑进来。作为对简化系统 的“微扰”，在简化系统的解的基础上，以逐步逼近的精神得到真实系统的近似解【6 】。 用m p 方法计算弱相互作用能时，微扰展开中所取的项数越多结果就越精确。 如m p 4 可包含单、双、三和四激发，这样就充分地考虑了电子相关。但是，这会极 大的增加计算的难度和时间。目前人们常用的m p 方法是m p 2 。和普通的i - i f 方法相 比，m p 方法由于考虑了电子相关作用，可以准确的计算分子体系中的弱相互作用 能。如果结合大基组，可以获得与试验结果吻合的计算值。因此，在用m p 方法计 算时要兼顾时间和效率。 1 2 3 密度泛函理论( d e n s i t yf u n c t i o nt h e o r y ，d f t ) 密度泛函理论1 7 - 9 1 将能量视为体系粒子密度的泛函，使求解n 个粒子系统的3 n 自由度问题( r l - r 2 r n ) ，化为三个自由度的密度6 ( r ) 问题，使问题大大简化，其 结果可与考虑电子相关的从头算相似，被称为量子化学的第二次革命。k o n h 因d f t 方法获得1 9 9 8 年化学诺贝尔奖。 密度泛函理论发展有一个很长的过程。1 9 2 7 年t h o m a s 和f e r m i 独立的提出了动 能作为电子密度泛函的表示式，但它对原子的计算一直未能得到应有的壳层结构， 因而被认为只是一个统计模型，虽经过多次改进，对原子、分子体系仍然失败。1 9 6 4 3 5 取代l ，2 3 三畦互变异构反应机理的理论研究 第一章 年h o h e n b c r g 和k o h n 发表了严格密度泛函理论，出现了里程碑性的转折。1 9 6 5 年k o l m 和s h a m 对密度泛函理论又提出了具体的计算方法，使之具体可行。经过几十年的发 展与众多科学家的努力，d f t 作为处理多电子体系的理论方法日趋完善。它既克服 了传统的a bi n i t oh fs c f 方法难以考虑电子相关作用的缺点，又避开了m p 、c i s d 、 c c s d ( t ) 等方法处理较大体系耗费时间的不足。一般地，a b i r d t oh fs c f 方法的计 算量与基函数个数的三次方成正比，因此d f t 为研究较大体系的量子化学性质提 供了一条可能的途径。 密度泛函理论方法有许多种类，我们最常用的几种方法是：b l y p ( b e c k e 的梯 度矫正交换函数 1 0 - 1 1 i l e e y a n g p a r r d e 的梯度矫正交换函数1 1 2 相结合) 、 b 3 l y p ( b e c k e 的三参数方法与l e e y a n g - p a r r d e 的相关函数相结合) 、b 3 p 8 6 ( b e c k e 的 三参数方法1 1 3 】与p e r d e w 的相关函数相结合) 和b 3 p w 9 1 ( b e c k e 的三参数方法与 p e r d e w - w i l k 的相关函数相结合) ，其中，b 3 l y p 、b 3 p 8 6 和b 3 p w 9 1 是d f t h f 混合 方法。目前广泛使用的密度泛函方法可分为三类：第一，类似通常所谓的局部密度 近似( l d a ) ，这种方法只使用电子密度一种函数。第二，使用的函数还有经过b e c k e 修正了的电子密度斜度函数f 随着混合函数的发展，在不同的发展阶段混合了不同 的以经验为主确定的参数，这样建立了第三类密度泛函方法。在本文中主要使用了 b 3 l y p 方法( b e c k e 的三参数方法与l e e y a n g - p a r r d e 的相关函数相结合) 。 最近的报道表明，在分子构型、振动频率和化学反应能方面，密度泛函理论取 得了令人满意的结果。许多研究表明用密度泛函理论计算得到的分子构型和振动频 率比用m p 2 方法得到的结果更可靠【1 4 1 7 1 。 就目前的计算条件和计算方法而言，相比之下，d f t 方法既有较高的计算精度 ( 与m p 2 相比，计算速度却比其快将近一个数量级) ，又考虑了电子相关性( 与h f 相比) ，也不太费时，因而成为目前在我们现有条件下，开展较小分子的研究以及 预测平衡体系的分子结构和振动频率最理想的计算方法。9 0 年代，在国际量子化学 学术会议上，用d f t 方法递交的论文几乎占一半。d f t 方法已成为量子化学计算的 另一重要方法1 8 1 。 1 3 选题意义及目的 药物与人类的生存和发展有着非常密切的联系，它可以帮助人们战胜疾病，获 4 5 取代l ，2 ，3 - 三唑互变异构反应机理的理论研究 第一章 得健康。为了不断战胜自然，加快发展，生物学家、化学家及其他科学家长期致力 于创造、开发新型药物。但本世纪6 0 年代以来，人们创造新药的难度越来越大，传 统的普遍筛选方法由于效率低、周期长、费用高，与开发新药的要求不相适应，迫 切需要找出一种行之有效的方法对药物分子进行定量计算或近似估计； 本课题旨在运用量子化学计算手段，通过研究气相和水相中5 取代1 ，2 ，3 三唑的 稳定态和过渡态结构，来探讨5 取代l ，2 ，3 三唑的反应机理，并研究溶剂化效应和不 同取代基对其过渡态结构以及其异构化反应过程的影响，在实用上将为新颖药品设 计提出指导。 1 41 , 2 , 3 一三唑的研究现状 在一般条件下，两个构造异构体可以迅速地相互转变的现象，叫互变异构现象， 涉及的异构体叫互变异构体f 1 8 l 。互变异构现象 1 9 - 5 3 】在有机化学中是一个很普遍也很 特殊的现象。杂环化合物普遍存在互变异构现象，同时互变异构影响了杂环化合物 分子的化学、生物和药用性质，故引起了化学家尤其是生物化学家的研究兴趣。众 多的三唑类杂环化合物以其良好的生物活性以及药效高，作用谱广而受到广大农药 工作者的重视。深入的研究发现，众多的三唑类化合物不仅具有广谱、高效的杀菌 活性，而且还具有十分良好的杀虫、除草及植物生长调节活性 5 4 - 6 2 】；五元杂环化合 物在医药学方面同样有着非常重要的应用，抗过敏药、抗菌药、抗真菌药、抗病毒 药和止痛药1 6 3 等药物结构中均含有l ，2 ，3 三唑单元，此# b l , 2 ，3 三唑在高分子化工中 也有着重要的用，因此三唑成为人们研究的热点。 在实验上，主要是研究了1 , 2 ，3 三唑的合成方法：1 9 9 4 年和1 9 9 5 年原田胜正等人 【社删以乙二醛单肟和肟酰腙为中间体合成了1 ，2 ，3 三唑，历程如下： r - - 冒c - - n h n ：c h c 。：n o h + ( c 一一n 一3 c 冒h o 一+ c h 3 c 冒o n 一2 一一一一 一u 一 ：h ： + 十 一n 每一n i c r o 5 取代1 , 2 3 - 三畦互变异构反应机理的理论研究 第一章 c 1 2 c h c h o + n h 2 h + c 1 2 c h c h n o h nh，nh2，=2、 二二+ h o n ：c h c h ：n n h ，_ 。 n h n t 6 7 备三唑，反 应方程式如下： 一黜觋一刚h n ：c h c h x 2 型、( 嘉 c h x 2n n 夕n 1 9 9 6 年日本的朝井洋明等人【6 8 】采用磺酰腙( p - m e c 6 h 4 s 0 2 n h n c h c h c l 2 ) 与苄 胺在甲醇中反应，制得1 苄基三唑，收率9 8 ，经氢化得收率为9 8 的1 h 三唑。 用氨基甲酸胺代替苄胺不经氢化得l h 1 ，2 ，3 三唑。此法操作简便，是高收率制备 l h 1 ，2 ，3 三唑的方法，值得工业应用。 此外，还有用叠氮与炔或烯制备三唑的方法，如1 9 8 9 年日本的平野秀树 6 0 l 利用 叠氮( a r c h 2 n 3 ) 和乙炔在沸点大于7 0 c 及炔易溶的溶剂中进行反应( 如在乙酸乙 酯中) ，得到苄基三唑，然后苄基三唑经催化还原得到i h 1 ，2 , 3 三唑。 2 0 0 2 年，肖国民【7 0 1 等人以对甲苯磺酰肼为原料合成了1 ，2 ，3 一三氮唑，并研究 了各种工艺条件对收率的影响。 理论方面的研究，目前国内用理论计算的方法对1 ，2 ，3 三唑的研究还未见报导， 但对其它三唑的研究很多。陈兆旭1 7 l 】用m n d om o 法研究了五种四唑衍生物的互变 异构反应；姬广富吲等人研究了对3 硝基5 氨基1 ，2 ，4 三唑的三种异构体；武海顺 等人用d f l 侣3 n 停6 3 1 1 0 ( d , p ) f f f l m o l t e r - p l e s s e t m p 2 6 3 1 g ( d ) 方法研究t 2 氨基 5 巯基- 1 ，3 ，4 噻二唑( a m t ) 各种异构体和过渡态的几何构型及异构体的互变机理； 陈文凯f 7 4 1 等人运用d 兀忸3 l y p 魅3 l g ( d ) 方法研究了2 羟基毗啶的质子转移过程。 国外的研究动态，1 9 8 8 9 b e g t r u p 等人 7 s l 用微波光谱学、气相电子衍射和从头 算的理论方法研究了1 ，2 ，3 三唑。依据实验数据他们估算了互变异构体在气相中的比 为1 ：1 0 0 0 ，并计算了1 h 、2 h 之间s c f 能差为1 5 k j m o l ，该数据与室温下的i h ：2 h 的 比l ：2 0 0 粗略的相符。1 9 9 1 年t o m k v i s t t 7 6 】等人用m p 2 6 3 1 g * 计算了l h 1 ，2 ，3 三唑和 2 h 1 ，2 ，3 三唑分子异构体的平衡几何构型、谐振力场和振动频率。他们发现， 2 h 1 ，2 ，3 三唑异构体比l h 1 ，2 ，3 三唑的更稳定，能量差为2 1 k j m o l 。近来，b i l l t 7 r l 等 6 5 取代1 ，2 ，3 三唑互变异构反应机理的理论研究 第一章 人研究了一些三唑和四唑的振动光谱，他们用d f t b 3 p 8 6 6 - 3 1 1 g + + 方法对其进行了 振动频率计算。2 0 0 3 年w o j c i e c h 等人1 7 8 1 ) 用b 3 p w 9 1 6 3 l l + + g “、h f 6 3 1 1 + + g ”和 单点c c d s ( t ) 6 - 3 1 1 + + ( 3 * * b 3 p w 9 1 6 - 3 1 1 + + g * * 等方法，对5 取代1 2 ，3 三唑的 稳定性和互变异构现象进行了研究，并得出以下结论：不管什么取代基，和n 1 h 、 n 3 - h 的三唑相比，n 2 h 1 ，2 ，3 三唑异构体都是最稳定的结构。n 1 h 、n 3 h 这两个 不太稳定的异构体中，- c f o 、c h 3 、c h o 、c i 、c n 、c o n h 2 、- n h 2 、- n 0 2 和o h 取代基可稳定n 3 h 异构体，只有b h 2 、一b f 2 和- c o o h 取代基可以稳定n 1 - h 。 n 1 或n 3 的质子与取代基之间的分子间作用力也影响t c 5 取代的1 ，2 ，3 三唑的相对 稳定性。 1 5 本文拟开展的研究工作 首先，以半经验方法中的a m i 方法对1 2 ，3 一三唑及5 - ( fc i 、- b r ：- c h o 、一c f o 、 c h s 、c f s ；o h 、s h ；c o o h ) 取代的1 ，2 ，3 一三唑进行初步的几何构型优化。 然后采用d f t b 3 l y p 6 3 1 l + + g + + 方法，对气相和水相中以及一水合5 取代 - l ，2 ，3 三唑互变异构体进行几何构型全自由度优化，探讨不同的取代基团和溶剂化 效应对互变异构体的几何结构、能量、过渡态结构和互变异构反应活化能的影响， 并重点研究5 取代l 2 ，3 三唑各互变异构体的互变机理：( a ) 分子内质子迁移：( b ) 水助质子迁移，以期揭示该化合物的微观反应动力学，使人们能够从动力学上把握 反应进行的方向。 5 取代1 , 2 。3 一三畦互变异构反应机理的理论研究 第二章 第二章5 一卤代( - f 、一c i 、和b r ) 1 , 2 ，3 三唑互变 异构的密度泛函理论研究 2 1 引言 五元杂环化合物在药学方面有着非常重要的应用，在抗过敏药、抗菌药、抗真 菌药、抗病毒药和止痛药【7 9 - 9 2 等药物结构中均含有1 ，2 ，3 三唑单元，1 ，2 ，3 三氮唑还 是非常重要的中间体，广泛应用于杀菌剂、杀虫剂的制备，它可以合成三唑巴坦 ( t a z o b a c t a m ) 等b 内酰胺抗生素8 3 】。同时，与其异构体l ，2 ，4 三氮唑一样，在高分 子化工中也有重要用途，因此l ，2 ，3 三唑成为人们研究的热点。 三唑的互变异构现象并不是一个新的研究课题m - 9 2 1 ，然而，在近3 0 年的文献 中只有少数的几篇文章提到了1 ，2 ，3 三唑的几何全自由度优化和互变异构现象。 1 9 8 8 年b e g t r u p 等人用微波光谱学、气相电子衍射和从头算的理论方法研究了 l 。2 ，3 三唑。依据实验数据他们估算了互变异构体在气相中的比为1 ：1 0 0 0 ，并计算了 i h 、2 h 之间s c f 能差为1 5 k j t o o l ，该数据与室温下的1 h ：2 h 的比l ：2 0 0 粗略的相 符。1 9 9 1 年t o m k v i s t 等人用m p 2 6 3 1 g 计算了l h 一1 2 ，3 - 三唑和2 h - 1 ，2 ，3 三唑分子 异构体的平衡几何构型、谐振力场和振动频率。他们发现，2 h 1 ，2 ，3 - 三唑异构体比 l h 1 ，2 ，3 三唑的更稳定，能量差为2 1 k j m o l 。近来，b i l l 等人研究了一些三唑和四 唑的振动光谱，他们用d f t b 3 p 8 6 6 3 1 1 g * * 方法对其进行了振动频率计算。2 0 0 3 年w o j c i e c h 等人用b 3 p w 9 1 6 3 1 1 + + g ”、h f 6 3 l l + + g ”和单点c c d s ( t ) 6 - 3 1 i + + g * * b 3 p w 9 1 6 3 1 1 + + g 等方法，对5 取代1 , 2 ，3 三唑的稳定性和互变异 构现象进行了研究，并得出以下结论：不管什么取代基，与n i h 、n 3 h 的三唑相 比，n 2 h 1 ，2 ，3 三唑异构体都是最稳定的结构。n 1 h 、n 3 h 这两个不太稳定的异 构体中，c f o 、- c h 3 、c h o 、- c i 、o c n 、c o n h 2 、- n h 2 、- n 0 2 和一o h 取代基可 稳定n 3 h 异构体，只有一b h 2 、一b f 2 和一c o o h 取代基可以稳定n l - h 。n 1 或n 3 上 的质子与取代基之间的分子间作用力也影响了c 5 取代的1 ，2 ，3 三唑的相对稳定性。 以上这些研究仅研究了气相中的互变异构体，也均未涉及异构体之间的互变机理。 2 2 计算方法 密度泛函理论( d f t ) 方法经常用于研究各类分子的互变异构问题。为此，在 r 5 取代l 。2 3 三唑互变异构反应机理的理论研究第二章 前人研究的基础上，采用d f t 的b 3 l y p 方法，在6 - 3 1 l h g + 水平上，对1 , 2 ，3 三 唑和5 一卤代( f ，c l ，b r ) l ，2 ，3 三唑进行了几何构型全自由度优化，获得了优化几何 构型、总能量和偶极矩等。在水相计算时，采用自洽反应场( s c r f ) 中的o n s a g e t l 9 3 1 溶剂模型，在气相优化几何构型的基础上重新进行几何构型的全自由度优化和能量 计算，溶质分子的空穴半径采用g a u s s i a n 9 8 中的v o l u m e 关键词计算获得，水的介 电常数取7 8 3 9 。并进一步研究了n 1 h 、n 2 h 和n 3 h 型三唑之间的互变异构机理： ( a ) 分子内质子迁移 9 4 1 ；( b ) 水助质子迁移。最后还进行了简正振动频率分析， 获得了其相应的熵、焓、吉布斯自由能和零点振动能。计算结果显示，在气相和水 相中所有的异构体均无虚频，表明均为势能面上的稳定点，而所有的过渡态有且仅 有一个虚振动频率，表明均为势能面上的一级鞍点。为简洁计，将孤立的n 1 h 、 n 2 h 和n 3 h 型三唑分别编号为1 、2 和3 ，一水合三唑分别编号为4 、5 、6 ，具体 结构见图2 1 。所有的计算都采用g a u s s i a n 9 8 w 程序包，在p e n t i u m4 微机上完成。 4 5 图2 - 11 j 2 三唑进行结构互变的2 种可能途径( r - - h 、f 、c i 、b r ) 2 3 结果与讨论 2 3 1 几何与电荷 在b 3 l 1 忡6 3 1 1 + + g ”水平上算出了气相和水相中的各稳定态和过渡态( t s ) 几 何构型的键长、键角及两面角，部分数据列于表2 1 中。 9 氛文，熟 ；叫乓。， 证卜k 鱼一 ：取 銎 尽一 产一狃 5 取代i 。2 3 兰畦互变异构反应机理的理论研究 第二章 表2 - 1 气相和水相中孤立三唑分子部分优化几何参数( r ：n m ；d ：。) g a s e o u sp h a s ea q u e o u sp h a s e hfc ib rhfc ib r i r i - 7 0 1 0 0 80 1 0 0 9n 1 0 0 90 1 0 0 90 1 0 1 1 0 1 0 1 00 1 0 1 00 1 0 1 0 2 r 2 a o 1 0 0 8o 1 0 0 801 0 0 80 1 0 0 80 1 0 0 80 1 懈0 ，1 0 0 90 1 0 0 9 3 r 3 0 1 0 0 8 0 1 0 0 9 n 1 0 0 90 1 0 0 90 1 0 1 lo 1 0 i l0 1 0 1 lo 1 叭l t s i r b 7 0 1 2 5 0o 1 2 4 30 1 2 4 70 1 2 4 70 1 2 5 l0 1 2 4 30 1 2 4 70 1 2 4 8 2 r 2 , 7 0 1 2 5 0o 1 2 5 7o 1 2 5 50 1 2 5 40 1 2 4 60 1 2 5 6 0 1 2 5 3 0 1 2 5 2 d 1 5 4 5 9 9 55 94 15 9 8 65 9 8 45 96 15 9 1 6 5 9 6 1 5 9 5 8 d 7 - l j o - 6 3 1 5- 6 2 2 7- 6 2 7 3- 6 2 7 1- 6 2 6 3- 6 1 9 6 - 6 2 4 4- 6 2 4 2 d 2 3 - 4 1 2 1 7 01 2 1 8 91 2 1 2 91 2 1 4 31 2 l3 01 2 2 1 41 2 1 3 51 2 1 4 2 t s 2 r 2 1 0 1 2 5 00 1 2 6 1o 1 2 5 80 1 2 5 70 1 2 4 70 1 2 5 90 1 2 5 50 1 2 3 3 3 r 7 0 1 2 5 00 1 2 4 70 1 2 4 90 1 2 4 90 1 2 5 l0 1 2 5 00 1 2 5 30 1 2 3 l d s - 1 2 7 - 6 3 1 5- 6 2 6 6- 6 3 0 2- 6 3 0 l- 6 2 7 5- 6 2 7 i6 2 9 9- 6 3 5 0 d ”4 5 5 9 9 56 08 36 0 6 l6 0 5 05 9 6 76 0 9 16 0 6 16 1 5 6 d 7 3 - 1 2 1 7 0- 1 2 0 5 01 2 0 9 41 2 1 0 41 2 14 3- 1 1 99 9- 1 2 0 3 8- 1 1 9 0 6 气相和水相中所有稳定态的两面角均为1 8 0 。或0 。( 数据不再列出) ，也就是 说l ，2 ，3 三唑五元环为一平面构型( 水相中也为平面结构) ，说明溶剂化效应对稳定 态分子的平面构型没有影响。当取代基r 由h f c l b r 时，两面角仍保持不变， 表明取代基原子对五元环的平面构型也没有影响，这也说明不同的取代基原子与三 唑环共平面的。此外从表2 1 中还可以看出，溶剂化效应和不同的取代基对稳定态 分子的键长几乎没有影响。这与文献【77 】相一致。水参与反应( 即一水合三唑) 时， 三唑五元环上的两面角平均为1 7 9 9 。( 数据不再列出) ，说明水分子的参与并没有 破坏三唑环的平面构型。 从表2 - 1 中可以看出，孤立三唑分子的各异构体进行互变异构的过程中，键长、 键角及两面角都发生了改变，以l 一2 ( r = h ) 为例进行详细说明，在1 中键长r 1 7 为o 1 0 0 8a m ，在2 中r 2 7 为0 1 0 0 8a m ，而在过渡态t s l 2 一h 中r 1 7 和r 2 - 7 距离分 别是o 1 2 5 0a m 和o 1 2 5 0a m ，说明在过渡态中h 7 与n 1 和n 2 形成了氢键，且两 面角d 7 - l - 5 4 、d 7 - 1 5 8 和d 7 2 - 3 - 4 与稳定态相比扭转了6 0 。左右，以上表明异构体进行 互变的过程中，h 7 原子在分子内发生了迁移，并且h 7 与n l 和n 2 形成一个与三 唑五元环的夹角约为6 0 。的三元环结构，见图2 1 。其它取代基的异构体形成过渡 1 0 5 取代1 2 2 三唑互变异构反应机理的理论研究 第二章 态的机理同上，在此不在一一赘述，数据见表2 - 1 。 表2 2 一水合三唑的部分优化几何参数( r ：n m ；d ：。) 水助催化质子迁移为双质子迁移机理，形成五元环过渡态结构。下面以4 5 ( r = h ) 为例并结合图2 1 来分析说明水助质子迁移过程中的构型变化，首先，4 中的h 7 与水上的0 9 以及水上的h 1 l 与n 2 分别形成n 1 - h 7 0 9 和0 9 - - h 1 1 n 2 两个氢键，得到具有五元环结构的过渡态t s 4 5 ，在该过渡态中除水分子中未参 与形成氢键的那个h 原子偏离了平面外( d l - 7 乒l o 和观。分别为1 1 3 5 。、1 1 3 7 。) ， 其余原子仍近似在同一平面内，显然这种结构有利于氢键的形成。随着反应的进行， h 7 0 9 和h 1 1 n 2 间距离逐渐减小，n l h 7 及0 9 _ h 1 l 间的距离逐渐增大，最 终到达稳定态5 。键长r 7 - 9 由0 2 1 0 2n i n 减小到o 1 1 5 0n l l l ，r 1 1 2 由o 2 1 8 5n l n 减小 5 取代1 , 2 ，3 三畦互变异构反应机理的理论研究 第二章 到0 1 4 1 2n n l ，而r 1 7 则由o 1 0 1 6n m 增加到0 1 3 9 6n n l ，r 9 1 l 由o 0 9 7 0n m 增加到 0 1 1 4 0n m 。此时n 1 h 7 和0 9 h l l 键断裂，h 7 0 9 和h l l _ n 2 键形成。显然 通过水分子参与反应的双质子协同作用机理，净结果相当于h 7 转移到n 2 上。数 据见表2 - 2 。 表2 3 孤立三唑和一水合三唑分子的部分键长和净电荷( e ) 我们再看一下分子内质子迁移和水助催化质子迁移过程中，三唑环上发生的变 化。首先看一下键长发生的变化，从表2 2 中可以看出两种质子迁移过程，三唑环 的键长都发生了变化。由l 一2 和4 5 的过程中，r i - 2 、r 2 3 和r 4 5 键长增大，r 5 则减小，但是l 一2 的过程中键长的改变较大，4 一s 的过程中改变较小。说明分子 内质子迁移过程三唑环上发生了较显著的变化，水助催化质子迁移三唑五元环上发 生的改变则较小。再分析一下电荷的变化，1 - - 2 的过程中，n 1 和n 2 上的所带的 负电荷都有所增加，特别是n 2 ，而h 7 上所带的正电荷增加，说明l 一2 的过程中 h 7 上的电子流向n l 和n 2 ，从而证明了过渡态中形成的三元环结构。4 5 的过程 中，n 1 、n 2 和h 7 、h 1 l 所带的电荷都有所增加，0 9 所带的电荷却减少，说明过 渡态中h 7 和h 1 1 的电子分别流向n i 和n 2 ，而0 9 上的电子则流向h 7 ，这与过渡 态中形成的五元环的结论相一致。 1 2 5 取代1 , 2 , 3 三唑互变异构反应机理的理论研究 第二章 2 3 2 能量 表2 _ 4 给出了分子内质子迁移反应各稳定态的总能量( e ) 、总能量差值( a l d 、 零点能校正后的总能量差值( 岛) 和偶极矩( ) 。可以看出，在气相和水相中， 所有稳定态的总能量都以2 最低，与1 和3 相比能量差在2 0 3 0k j m o l 之间，说 明n 2 h 型的异构体是最稳定的，而i 和3 相比，3 较稳定。并且，随着取代基原 子( h f c l b 彬# 径的增大，总能量越来越小。这与文献【7 7 】相一致。从表2 3 中 还可以看出，水相中各稳定态的总能量要比气相中相应稳定态的总能量要低，并且 各异构体之间的总能量差值要比气相中的小，特别是3 与2 之间的差值在5k j m o l 以下，溴代的3 与2 之间的a e 只有0 9 9 k j t o o l ，这说明溶剂化效应不仅增强了各 异构体的稳定性，还拉平了各异构体之间的能量差。 表2 4 气相和水相中孤立三唑分子互变异构体的热力学参数 眦是指气相中的总能量与液相中的总能量的差 从表2 4 中还可以看出偶极矩与总能量之间的关系，由气相进入水相各异构体 的总能量都有所降低，但幅度各不相同，偶极矩较大的l 与3 进入水相后能量降低 幅度较大，偶极矩较小的2 进入水相后能量降幅很小。由此可得，溶剂化效应对不 同异构体的稳定性的影响程度与各异构体偶极矩的大小存在直接的关系，偶极矩大 的影响程度大，因而在溶剂水中也就更加稳定。 1 3 5 取代1 。2 。3 三唑互变异构反应机理的理论研究第二章 从表2 5 中可以看出，水分子参与反应时，明显降低了各异构体的总能量e ， 但5 即n 2 h 一水合三唑仍是最稳定构型，而4 和6 相比6 较稳定，稳定性顺序同 孤立三唑分子一致，说明水分子参与反应并没有改变各异构体的稳定性顺序。 表2 - 5 一水合三唑热力学参数 表2 - 6 气相和水相中孤立三唑分子互变异构的动力学参数 g a s e o u sp h a s ea q u e o u sp h a s e a e 4 e o a g4 fk e 4 | h e | a g k j m o lk j m o lk j m o lk j m o !k j m o lk j m 0 1 一hl t s l 22 0 9 8 51 9 3 9 91 9 4 0 12 1 5 1 51 9 8 9 31 9 8 9 l 2 一t s l 22 2 9 5 22 1 1 4 72 0 9 7 22 1 8 5 72 0 0 8 22 0 0 7 9 2 一t s 2 3 2 2 9 5 22 1 1 4 72 0 9 7 22 2 1 5 92 0 3 8 42 0 3 8 1 3 一t s 2 3 2 0 9 8 51 9 3 9 91 9 4 0 l2 0 1 9 22 0 1 9 52 0 1 9 3 - fl t s l 21 9 9 0 71 8 3 6 41 8 3 7 92 0 4 9 91 8 9 2 51 8 9 3 1 2 一t s l 2 2 3 5 0 2 2 1 7 1 9 2 1 7 1 42 3 3 9 9 2 1 6 2 62 1 6 2 0 2 一t s 2 3 2 2 5 5 32 0 8 1 3 2 0 8 1 7 2 1 9 6 0 2 0 4 0 02 0 4 0 4 3 一t s 2 3 2 0 4 8 91 8 9 2 41 8 9 _ 3 01 9 8 9 52 0 1 8 7 2 0 1 8 8 c ll t $ 1 22 0 5 5 41 7 7 7 81 7 8 5 32 1 3