（物理化学专业论文）合成对羟基苯甲醚的理论研究与实验.pdf

中文摘要摘要利用量子化学的密度泛函理论( d f t ) 研究有机反应体系已成为有机化学重点研究领域之一。本文简要介绍了密度泛函法的理论基础，综述了密度泛函理论研究有机反应体系的进展，并就对苯二酚单一甲基化制备对羟基苯甲醚这有机反应体系进行了密度泛函理论计算分析和实验合成。对羟基苯甲醚是一种重要的医药化工原料，常用于精细化学品的合成。但由于对合成技术及反应机理研究不够，导致其生产成本过高，使其应用受到限制。本文通过密度泛函理论( d f t ) ，采用b 3 l y p 交换相关势和6 - 3 1 g ( d ，p ) 基组，对对苯二酚与硫酸二酯和碳酸二甲酯等甲基化试剂反应合成对羟基苯甲醚的反应物、中间体和产物的结构进行了优化。在p c m 模式下分别计算了其电荷密度分布、重叠集居数和单点能，确定了可能的过渡态结构和反应机理，并用t s 方法进一步确定了过渡态，对过渡态进行了频率分析和i r c 分析。通过计算研究发现：对苯二酚和甲基化试剂反应后生成了对羟基苯甲醚，其羟基氧上的电荷密度降低，不利于继续发生亲核取代反应生成副产物对苯二甲醚。而在碱过量的情况下，反应物首先与碱反应生成生成对苯二氧基负离子，其电荷密度增加，更有利于和甲基化试剂发生亲核取代反应生成副产物对苯二甲醚。由计算结果的过渡态能量显示：从过渡态到副产物所需要的能量比由过渡态到主产物所需要的能量高，说明温度过高则有利于副产物的生成，温度太低则生成主产物所需能量不够，反应产率也会降低，只有控制合适的温度才能提高主产物的比率。最后优化了碳酸二甲酯的空间结构，计算了其重叠集居数。计算结果解释了碳酸二甲酯作为甲基化试剂反应比较难的原因。通过理论计算还讨论了碳酸二甲酯在路易斯酸催化下与酚类和苯胺类物质发生亲核取代反应的可能机理，探索了溶剂对反应的影响。根据理论计算结果，选择合适的实验条件在实验室水平上合成了对羟基苯甲醚，通过控制反应温度、反应时间、催化剂用量、投料方式、原料用量比等实验条件，控制对苯二酚和硫酸二甲酯反应生成主产物与副产物的比率为1 ：0 1 6 。而对苯二酚在路易斯催化下和碳酸二甲酯反应生成对羟基苯甲醚的收率为6 6 1 8 。理论计算结果与实验结果吻合良好。关键词：密度泛函，对苯二酚，对羟基苯甲醚，反应，机理，合成。英文摘要a b s t r a c ti ti si m p o r t a n tf i e l dt ou s ed e n s i t yf u n c t i o nt h e o r y ( d f t ) t os t u d yo r g a n i cr e a c t i o ns y s t e mi no r g a n i cc h e m i s t r y i nt h i sa r t i c l e ，t h eb a s i co fd f tw a si n t r o d u c e do nb r i e f t h ed e v e l o p m e n to ft h ed f ts t u d i e do no r g a n i cc h e m i s t r yw a ss u m m a r i z e d o nd f t ，t h er e a l i t ys y s t e mt h a tt h es y n t h e s i so f4 - m e t h o x y p h e n o lw i t hh y d r o q u i n o n ea n dm e t h l a t i o nr e g e n tw a sd i s c u s s e di nd e t a i l 4 - m e t h o x y p h e n o li sa ni m p o r t a n tr a wm a t e r i a lt h a tw i d e l yu t i l i z e di np h a r m a c ya n do r g a n i cs y n t h e s i s b e a a u s eo fi t sh i 曲p r o d u c ev a ) n s u i t i e ，a n dn os t u d yo i lt h em e r c h i s mo ft h er e a c t i o n , t h eu t i l i z a t i o no f4 一m e t h o x p h e n o li sl i m i t e d i nt h i sa r t i c l e ，d f t b 3 l y pc a l c u l a t i o n sa t6 - 31 g ( d ，p ) b a s i ss e tl e v e lw e r ec a r r i e do u tf o ro p t i m i z e dt h er e a c t a n ta n dt r a n s i t i o ns t a t ea n dt h ep r o d u c t ss t r u c t u r eo ft h er e a c t i o nt h a th y d r o q u i n o n er e a c t e dw i t hd i m e t h y ls u l f a t eo rd i m e t h y lc a r b o n a t e t h e nt h ec h a r g ed e n s i t ya n dm u l l i k e no v e r l a pp o p u l a t i o nw e r ec a l c u l a t e du n d e rp c mm o d e l t h er e a c t i o nm e c h a n i s mw a sc o n f i r m e d t h et r a n s i t i o ns t a t ew a so p t i m i z e db yt sm e t h o d ，t h e nc a c u l a t e dt h ef r e q u e n c yo f t h et r a n s i t i o ns t a t e f i n a l l ya n a l y z e dt h et r a n s i t i o ns t a t eb yi r c a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，d i s c o v e r e dt h a tw h e nh y d r o q u i n o n et r a n s i t e di n t o4 - m e t h o x y p h e n o l , t h ec h a r g ed e n s i t yo fo x y g e nr e d u c e d ，i ti sa d v a n t a g et om a i nr e a c t i o n b u tw h e nt h es o d i u mh y d r o x i d eo v e m l u c h , h y d r o q u i n o n et r a n s i t e di n t ob e n z e n e - 1 ，4 - d i o l a t e ，i ti sb e n e f i tt oa s s i s t a n tr e a c t i o n i no t h e rh a n d ，t h ea b s o r be n e r g yo fa s s i s t a n tr e a c t i o ni sh i g h e rt h a nt h em a i nr e a c t i o n , s oh i g ht e m p e r a t u r ei sa d v a n t a g et oa s s i s t a n tr e a c t i o n b u tl o wt e m p e r a t u r ec a n ts a t i s f i e dt h ea b s o r be n e r g yo ft h em a i nr e a c t i o n f i n a l l yo p t i m i z e dt h es p a c ec o n s t r u c t i o no fd i m e t h y lc a r b o n a t e , c a l c u l a t e di t so v e r l a pp o p u l a t i o n , d i s c o v e r e dt h er e a s o nt h a td i m e t h y lc a r b o n a t ei sd i f f i c u l tt oa sm e t h y l a t i o nr e g e n t d i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo ft h er e a c t i o nt h ed i m e t h y lr e a c t sw i t hp h e n o la n da , m i n en u c l e o p h i l i cr e g e n ti nt h ep r e s e n c eo ft h el e w i sa c i d d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo f t h er e g e n to nt h er e a c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，c h o o s et h ea d a p tr e a c t i o nc o n d i t i o nt oe x p e r i m e n t c o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo f t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e , r e a c t i o nt i m e , d o s a g eo fc a t a l y z e ，a n do t h e rr e a c t i o nc o n d i t i o n c o n t r o l l e dt h er a t eo f4 - m e t h o x y p h e n o la n dl ，4 一d i m e t h o x y b e n z e n ei s1 ：0 1 6 t h eh a r v e s tr a to ft h ed i m e t h y lc a r b o n a t er e a c t i o nw i t hh y d r o q u i n o n ei nt h ep r e s e n c eo f l e w i sa c i di s6 6 1 8 1 i i重庆大学硕士学位论文k e y w o r d s ：d e n s 埘f u n c t i o nt h e o r y , h y d r o q u i n o n e ，4 - m e t h o x y p h e n o l ，r e a c t i o n ，m e c h a n i s m ，s y n t h e s i s i v独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：承，逭娥签字日期：学位论文版权使用授权书年f 月w 日本学位论文作者完全了解重庞盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重废去堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密() ，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密( 、) 。( 请只在上述一个括号内打“”)学位论文作者签名：冰建辨导师签名：亥砧文签字日期：枷6 年7 1 月牛日签字日期：州年，月多日1 引言l 引言有机合成在有机化学中占有重要地位。人们利用有机合成可以得到所需要的药物、有机材料、食用香料、染料、以及各种科研和生产所需要的中间体物质。有机合成经过1 0 0 多年的发展已经建立了丰富的理论基础，积累了许多成熟的经验，而且合成了大量的新材料新产品，为人类物质生活水平的提高和社会经济的发展作出了巨大的贡献。然而传统的有机合成只能靠经验与不断试验来完成，这种“失败后再来”的方法既浪费时间又花费了大量的成本。在上世纪后期，随着量子化学理论和计算方法的发展，人们开始把相关的理论计算应用到有机化学反应体系中，目前这一工作已取得了很大的成功，并有不少文献报道。理论计算可以提供有机分子的键长、键角、能量、电荷集居数、红外、核磁共振、空间结构优化等方面的参数，而且还可以得到反应势能面、过渡态、反应途径等重要的动力学信息，为研究有机化学反应及其机理提供了有用的帮助。目前实现这些研究的方法主要有密度泛函理论( d f t ) 和从头计算法( a bi n i t i o ) 。对羟基苯甲醚是一种重要的医药中间体和化工原料，其国内外市场需求都很大，然而目前对羟基苯甲醚的合成不是反应对催化剂要求高，反应条件苛刻，就是合成步骤长，收率低，这样大大提高了生产成本。采用对苯二酚与甲基化试剂直接反应生成对羟基苯甲醚可以缩短生产流程，降低反应成本，然而对苯二酚与甲基化试剂反应容易生成副产物对苯二甲醚。因此，利用量子化学的理论计算来模拟反应体系，优化反应条件，先从理论上研究对苯二酚与甲基化试剂发生单一甲基化反应的可能性及调控方法，然后根据理论计算的指导再在实验室合成对羟基苯甲醚，是一个非常有意义的课题。本课题的完成不仅为对羟基苯甲醚的生产提供了有效的方法，而且对其他选择性合成反应也有参考价值。1 1 密度泛函理论( d f t )1 1 1 密度函数1 密度函数一个含有n 个电子的体系，可用庐( z 1 ，z 2 ，x n ) 作为n 个粒子在三维坐标空间和自旋空间共4 n 维空间的状态函数实际计算不用函数，而是用密度函数矿。4 n 维空间中的某一电子，若不考虑其电子所处位置时，它在x 处的小体积元m中出现的概率为：d n i 庐幸( z j ，x 2 ，- ，z 一拗( z 1 ，z 2 ，z 一) d r 2 d r 3 d r 一( 1 1 )重庆大学硕士学位论文由于电子的全同性，这对任意电子都成立。因为n 个电子中任意一个在x 处的血中出现的概率都相同，可以定义密度函数：尸，( z t ) = f 矿4 ( z ，z 2 , - - - , z 一渺( z l ，z 2 ，z 一) d f 2 d r 3 d r 一( 1 2 )它表示任意一个电子在z 1 处小体积元出l 中出现的概率相同，推广到q 个电子的密度函数为：蹦黼咖，= ( f 州肌弦，删c 肌纷，肋加t 瓴一刊“s ，当q = l 时，则为p l ；当q = n 时，仞l z 2 z ) = 妒+ c c l x 2 z n ) ( z i x 2 z n )( 1 4 )2 密度算符d i r a c 【1 】在量子力学研究中使用一套简洁符号，波函数可用左右矢来表示：右矢i 步= 矿( x l x 2 z n ) ，左矢 i = 4 ( z , z 2 弘) 。当研究的对象是较大封闭体系中的一部分，就需要一个量子态的算符来描述，定义第n 态的密度算符为：l 萨| = 。对于一个纯的态，可以用一波函数来描述，而对一个混合态，只能用与其相关的态的概率分布的和来描述：f = 暑f 妒，) ( 妒，l = e 尸妒( z - z ：z 一) 妒+ ( z z ：z 一)( 1 5 )式中：p i o ，y 只= 1 。密度算符为自共轭算符，且恒为正算符，若波函数满足归一化，则密度算符表示矩阵对角元的和为1 。3 约化密度矩阵n 个电子体系的n 阶密度矩阵为：p 文n z 皿z 。社壮凸嚣。吨p 歧欢z 皿z q 洳+ l 洳+ 2 口z n , z 1 , z m z q ) d z q “d z q + j 枷r ( p ) = 矿( z i z 2 z ，) 宰( z 1 2 2 t z )现定义一个q 阶约化密度矩阵：一阶约化密度矩阵为：p 一( z l z - ) = 町f 庐( z - z 2 z ) 妒宰( z z ：z n ) d z z d z s d z ( 1 6 )二阶约化密度矩阵为：p 2 ( z i z 2 z l z 2 ) = n ( n 2 - 1 ) j f ( z l z 2 z ) + ( z l z 2 j ，) d z 3 d z 4 d l ，( 1 7 )21 引言一阶约化密度矩阵归一化后得体系电子数n ，二阶约化密度矩阵归一化后，等于电子对数目：n ( n - 1 ) 2 。1 1 2t h o m a s f e r m i 模型以电荷密度代替波函数作为基本变量来描述体系的想法由来己久。在s c h r s d i n g e r 方程发表的第二年，即1 9 2 7 年，t h o m a s l 2 】和f e r m 3 卅就提出了建立在均匀电子气模型上的t h o m a s - f e r m i 模型。均匀电子气模型中，电子不受外力，彼此之间也无相互作用。这时，电子运动的s c h r s d i n g e r 方程就成为最简单的波动方程：一- nv 2 ( 力= e ( 力( 1 8 )方程的解为：n ( ，) = 万1 唧( 斑，)( 1 9 )考虑ok 下电子在能级上的排布情况，经过简单的推导，可以得到电子密度p 专( e 爹( 1 1 0 )和单个电子的动能( 因为是自由电子，因此也就是其总能量)t = 孚( 1 其中e ，是体系的f 锄：i l i 能。于是体系的动能f 阱以= ；3 芴h 2 ( 3 石2 ) q 考虑到原子核等因素产生的外场u 和电子间的经典库仑相互作用，电子体系的总能量e m p 】= c jj p 彭办+ f p 驴) v ( r ) d r + 三f 肾( i 1 2 )可以得到( i 1 3 )这样，能量被表示为仅决定于电子密度函数p ( r ) 的函数，称为电子密度的泛函( d e n s i t yf u n c t i o n a l ) 。密度泛函理论( d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ，d f t ) 由此得名。h o h e n b e r g 和k o h n 也正是在研究这一模型的时候受到启发，开创了密度泛函理论。但是，t h o m a s f e r m i 模型是一个比较粗糙的模型，它以均匀电子气的密度得到动能的表达式，又忽略了电子间的交换相关作用，因此很少直接使用。3重庆大学硕士学位论文为了考虑电子的交换相关效应，一个最简单的方法就是在上面的能量公式里直接加入一项或几项修正项。例如，所谓的t h o m a s f e r m i d i r a c 理论，就是在上面公式( 2 1 3 ) 加上一个电子交换项e x 瞄】= 一ef p ( ，) 办( 1 1 4 )、，其中e = 3 ( 3 力：。此外，电子相关项也可以被方便地加入，例如w i 印勰出的相关项删川嘶意( 1 1 5 )其后，非局域项等更高阶的修正，也被不断地加入到这个简单的泛函中，修正后的模型可以用来解决某些实际问题。但是，t h o m a s f e r m i 模型漏洞过多，修修补补总不是解决问题的最好办法。1 9 6 4 年，h o h e n b e r g 和k o h n 5 】在这个模型的基础上，又打破了能量泛函形式的束缚，创立了严格的密度泛函方法。1 1 3h o h e n b e r g 。k o h n 定理和h a r t r e 2 f o c k 方法一样，密度泛函理论也引入了三个近似：b o m - o p p e n h e i m e r 近似，非相对论近似，单电子近似【6 】。对于h a r t r e e f o e k ) 5 - 法中引入误差最大的单电子近似，密度泛函方法里采用了各种方法减少误差。而对于相对论效应导致的误差，密度泛函方法也采用了赝势基组等方法予以部分修正。在这三个近似的前提下，密度泛函理论的基本原理是严格的，和h a r t r e e - f o c k 方法不同，它至少在原则上可以获得任意高的精度。密度泛函理论的严格理论基础是h o h e n b e r g k o h n ( h k ) 第一和第二定理。这个定理是1 9 6 4 年h o h e n b e r g 和k o h n 在巴黎研究均匀电子气t h o m a s f e r m i 模型的理论基础是提出来的。定理有多种表述形式，这里采用较为简单常用的形式。第一定理( h k - 1 ) ：处于外势v ( r ) e p 的不计自旋的电子体系，其外势例由电子密度唯一决定( 可相差一个常数) 。所谓外势，是指除了电子相互作用以外的势，例如一般体系中原子核的库仑势等。系统的h a m i l t o n i a n 量aaah = r + 矿+ u( 1 1 6 )其中r a 为电子动能，步为外势，【，a 是电子相互作用势。不同体系的日a 中，r a 和【，a 的表达式是一样的，只有外势矿a 是不同的，确定了外势，也就唯一确定了体系的会。因此，这一定理表明，由电子密度可以决定系统h 锄i l t o n i a i l 量日a 所决定的所有性a质。由h 通过日甲= e o 、王，可唯一确定系统的波函数，因此电子密度也决定了系统4l 引言波函数所决定的所有性质，即由波函数到电子密度，没有损失任何信息，这一结论是惊人的，而其对非筒并基态情况的证明却非常简单。定理对于简并情况的证明，也由k o h n 于1 9 8 5 年给出。尽管人们普遍认为基态密度不仅决定了波函数还唯一地决定了外势嘲，但最近的研究表明这对包含自旋密度或者流密度的密度泛函理论并不成立。这时，基态密度仍然决定了波函数，但是并不唯一地决定外势。这就是通常所说的非唯一性问题。除了唯性问题以外，存在性也是人们关心的问题，即( 1 ) 对一个任意给定的非负密度是否一定可以写成式( 1 8 ) 所表示的波函数乘积的形式? ( 2 )对任意如式( 1 8 ) 所示的密度是否一定是某个外势对应的基态密度? 这被称为表示问题：前者被称为n 表示问题，后者被称为v 表示问题。n 表示问题已经得到了肯定的回答，但是对v 一表示问题现在并没有一般的结论。虽然如此，密度泛函理论的实际应用几乎并不因此而受到影响。最近，杨伟涛提出了一种与密度泛函理论对应的势泛函理论，可以原则上解决v 表示问题。第二定理( h k - 2 ) ：对于给定的外势，体系基态能量等于能量泛函的最小值。第二定理的证明：设是h 的基态，即h = e o ，e o 是基态能量，则取岛为k 对应的电荷密度，就有e h 】_ e 。所以e 。= e 】m i n ，e 扫】；而对于任意p ，由( h k 1 ) ，可得到唯一的甲，有e l o = ( 甲i f i l v ) ( k f i l v o ) = e 。，所以，由p 的任意性，秣4 r a i n ，e l o e 。因此，e 。= m i n 。e l o l ，定理成立。1 1 4k o h n s h a m 方程有了上述两个定理，剩下的问题就是能量泛函的具体表述形式了。在式( 1 1 6 )中h 和r 的具体形式是未知的。k o l m 和沈吕九在1 9 6 5 年提出了k o h n - s h a m 方程，通过提取h 和r 中的主要部分，把其余次要部分合并为一个交换相关项，在理论上解决了这一问题。他们引进了一个与相互作用电子体系有相同电子密度的假想的非相互作用电子体系作为参照体系r 。为了表述简单，下面的讨论均忽略电子的自旋自由度，并采用原子单位制。因为电子之间无相互作用，因此其h a m i l t o n i a n量、基态波函数和动能算符都可以写成简单的形式：a11h = 一 v 2 + o ) = ( _ v 2 j + ( ) )( i 1 7 )王，一( ，) = 去协( ) 丸( 吃) 九( m( 唬( r f ) 被称为k s 轨道)( 1 1 8 )重庆大学硕士学位论文k = 一圭喜j 办螂)( 1 1 9 )真实体系的电子总能量e - 1 r + v + u ，其中t ，v ，u 分别是电子动能，外势能，电子相互作用能，取电子相关能为耻口吲邶一如背蚓则电子总能量e 【r 】= 瓦+ 矿+ 三f 肾+ e ”( 1 2 0 )( 1 2 1 )= 品+ 伽m 肌如肾+ 胁”k 协z z ，由约束条件f p ( r ) 毋= ，根据变分-s ( n e ijp ( o d o 一5 ( e 一- e 一, jp ( r ) d r ) 印鼬t的6 t= 0( 1 2 3 )利用式( 1 2 1 ) 中的展开式计算上式的左边，计算时除了等一扣m ，其它均使用变分的链法则，由尸( ，) ：妻l 死( ，) 1 2j 等= 破即可得到一三n 掣1 忙，唬丽赢一l( 1 2 5 )( 1 2 6 )( 1 2 7 )其中u 。l d 】= 艿f 。p p ( r ) 咖印是交换相关势密度。式( 1 2 7 ) 即为著名的k s 方程。在k s 方程中，有效势由电子密度决定，而电61 引言子密度又由k s 方程的本征函数( 1 1 1 k s 轨道) 由式( 1 2 5 ) 求得，所以我们需要自洽求解k s 方程。这种自洽求解过程通常被称为自洽场( s c f ) 方法。得到一个自洽收敛的电荷密度岛后，我们就可以得到系统的总能：e 。= 孝，一圭j 兰立擀一f 风( ，) ”( ，) 办+ e ”【岛】( 1 2 s )关于k s 轨道及其本征值的意义，s t o w a s s e r 和h o f f m a n n 给出了很好的讨论。从我们得到k s 方程的过程可以明显看出，k s 本征值和k s 轨道都只是一个辅助量，本身没有直接的物理意义。一般来说，相比于h f 轨道，k s 轨道的占据轨道能量偏高，非占据能量偏低，给出相对较小的能隙。唯一的例外是最高占据k s 轨道的本征值。如果我们用e n ( m ) 表示n 电子体系的第m 个k s 本征值，那么我们可以严格证明c n ( n ) = i p 和e n + 1 ( n + 1 ) = - e a ，其中i p 和e a 分别是n 电子体系的电离能和电子亲和能。但由于目前实际使用的泛函形式的渐近行为很差，往往给出高达5 e v 的单电子能量的虚假上移，因此一般不能直接使用这一结论来计算口和e a 。另一方面，从使用角度来说，k s 本征值和k s 轨道已经是体系真实单粒子能级和波函数的很好的近似，与h f 轨道和扩展的h u c k d 轨道相比，形状和对称性都非常相近，占据轨道的能量顺序也基本一致。对某些合适的交换相关近似( 杂化密度泛函) ，基于k s本征值的带结构能隙可以和实验符合得很好。1 2 密度泛函理论( d f t ) 研究有机体系的进展1 9 2 8 ，年h e i t l e l o n d o n 7 】用量子力学方法处理了h 2 ，开启了量子化学领域的大门。上世纪5 0 年代以来，计算机的出现和发展不断促进量子化学计算的进步，许多半经验计算得以逐步展开。从7 0 年代开始，从头算研究开始成为主流【s 】。进入8 0 年代以后，随着计算机的普及，量子化学计算己在世界各地的理论化学小组中进行，研究对象也从中小分子向大分予、重原子体系发展。随着化学研究对象的不断拓宽，人们已经不满足于只研究单一的分子或气相中的体系，研究对象发展到固体表面吸附、溶液中化学反应、生物大分子；元素也从一、二周期发展到过渡金属、稀土元素。为适应新的形势，以密度泛函为基础的d f t 方法迅速发展起来【9 】。这一方法借助于k o h n t l 0 1 提出的密度泛函理论，改变了以往以波函数为目标的特点，转而以寻求近似的密度分布为前提，由此发展出了定域密度泛函近似( l d f t ) 、自旋密度泛函近似( l s d a ) 、广义梯度近似( g g a ) 、密度泛函与分子轨道的杂化方法( 如b 3 l y p ) 等，迅速得到广泛应用。9 0 年代，国际量子化学学术会议上发表的与d f t 方法有关的的论文几乎占了一半。毫无疑义，d f t 方法已经成为当今量子化学计算的一个重要方法。7重庆大学硕士学位论文随着密度泛函理论的发展的逐渐成熟，人们开始把密度泛函理论应用于研究有机化学反应。主要用在以下几个方面：1 ) 优化反应物、中间体( 过渡态) 、产物的结构。有机分子的结构比较复杂，对有机分子结构的优化，有助于深一步了解分子空间构型，确定稳定构象，从而可以来研究反应机理和预测反应产物。2 ) 计算反应物、中间体或过渡态、产物的m u l l i k e n 电荷密度、单点能、重叠集居数等。电荷密度分析对于研究有机化学反应特别重要，有机化学的亲核取代反应( s n 2 ，s n l ) 、亲电取代反应、亲核加成反应、亲电加成反应等，这些反应是最普遍也最重要的反应，它们都与反应部位电荷密度分布有关。通过计算m u l l i k e n 电荷密度，可以从理论上推断反应进行的部位，反应机理等，然后再通过实验验证或指导相关合成，大大节约了研发时间。计算单点能有助于分析中间体和过渡态结构，有助于预测反应产物，当有几种可能生成的产物时，一般是能量低的构型占优势，通过理论计算就可以预测主产物和副产物的关系。通过重叠集居数的计算有助于研究分子中化学键的变化，确定最可能的断键部位和主要的产物等。3 ) 通过i r c 计算研究反应路径。i r c 计算是计算过渡态不同点的能量分布，从而来确定反应的通道和机理。4 ) 频率分析、计算n m r 、圆二色谱等。通过频率计算，可以对过渡态和稳定点的结构进行判断，判断该结构是处于过渡态还是处于稳定点或者是高鞍点。通过红外光谱、核磁、圆二色谱等的计算可以从理论上对分子的构型进行分析，然后再通过实验验证。5 ) 过渡态的寻找。过渡态的寻找一般有t s 方法，q s t 2 方法，q s t 3 方法。通过对反应过渡态的寻找，可以确定反应机理，从而选择合适的反应条件降低反应成本。过渡态的寻找一般要结合频率分析和i r c 计算来共同完成。近几年来，用d f t t o f 究有机反应的报道屡见不鲜，主要是用密度泛函理论来研究反应机理，预测反应的产物，解释实验现象。g o l a mr a s u l ，g ks u r y ap r a k a s h ，l d f i e l d 【1 1 】等采用d f t t 里论研究了2 丙烷正离子与乙硼烷反应的产物研究发现产物( m e c 2 b h 7 + ) 的能i t c h 产物( m e 2 c b h 4 + ) 的能量更低，而以前认为2 丙烷正离子与乙硼烷反应的主要产物是( m e a c b i - h + ) 。该研究校正了以前错误的观点，而且通过实验验证了理论结果。m a n u e la r n o ，r a m o nj z a r a g o z a 和l u i sr d o m i n g o t 1 2 1 利用d f t 理论在b 3 l y p 6 3 1 g ”水平上研究了利用l 脯氨酸诱导下甲乙胺与丙酮二酸二甲酯的不对称亲核加成反应。研究发现最初的诱导反应是加入的脯氨酸重氮化后失去羟胺，生成烯胺，烯胺再与丙酮二酸二甲酯发生亲核加成，生成两种立体异构的产物，其中l 脯氨酸对应的是b 构型的产物。m i z a d y a r , m r g h o l a m i ，m 81 引言h a g h g u t l 3 】利用了四种不同的密度泛函，采用八种不同的基组研究了正丙烷烯丙基硫醚及其重氢衍生物的周环反应，最终发现产物为六元环化合物，且b 3 p w 9 1 6 3 1 1 h g ”计算的能量与实验能量接近，但是从时间和精确度并重考虑则b 3 l y p 6 3 1 g 方法更好。h a n s - f r i e d r i c hg r u t z m a c h e r , m i c h a e lb u c h n e r , h e n d r i kz i p s e t l 4 在b h l y p 6 - 3 1 l + g ( 2 d ，p ) ，b h l y p 6 - - 3 l + g ( d ) 水平上研究了2 氯丙烯和2 溴丙烯与甲醇和乙醇的自由基反应，讨论了反应机理，研究发现2 一氯丙烯和2 。溴丙烯与甲醇很难发生反应，但两者都能与乙醇发生反应，且2 溴丙烯与乙醇反应比与甲醇反应更容易。m ，j o r d a a n , p v a i lh e l d e n , c g c e v a l ls i t t e r t 。h c m v o s l o o ”】在g g a p w 9 1 d n p 水平上研究了1 辛烯在 r u c l 2 ( p c y 3 ) 2 ( c h p h ) 】催化剂存在下的交叉反应，优化了各个活性中间体的结构，计算了中间体和催化剂的活化能，研究还发现了这个反应在2 5 时主要生成反7 一十四烯。v l a d i m i rb e n i n 【1 6 1 在b 3 l y p 6 3 1 + g ( d ) ) 水平上研究了2 - n 亚硝基氨基甲酸盐的烷基化反应，考察了一系列两性离子亲核试剂烷基化反应的热力学稳定性和区域选择性，发现产物的热力学稳定性与选择性只与大的氨基甲酸盐分子束有关，且氧烷基化生成的二构型的能量比e 构型的能量高，故o 烷基化反应主要生成e 构型。m a r l ，b o h n , m a r ai c o l o m b o ，c a r l o sa s t o r t z 等【l 刀利用d f t 理论研究了三氯化铵基呋喃葡萄糖作为葡萄糖基团的提供者与4 o h 活化基团的葡萄糖胺的反应，考虑了保护基团2 号n ，3号o ，6 号o ，用d f t 理论讨论了为什么两者难发生反应的原因。x a v i e r r o z a n s k a , ；1x a v i e rs a i n t i g n y 。r u t g e ra v a i ls a n t e n 等【1 8 1 探讨了苯、甲苯、烷基取代噻吩及其衍生物在酸性沸石催化剂下的异构化反应和转移烷基化反应的机理。n i l t o n ，r o s e n b a c hc l a u d i oj a m o t a ”1 利用d f t 理论在b 3 l y p 6 3 1 1 + g ( d , p ) b 3 l y p 6 3 1 +g ( d ，p ) 水平上研究了丁基卤在y 沸石催化剂作用下的s n 2 和e 2 的反应，主要讨论了离去基团的影响，发现正丁基氯和2 一丁基氯在y 沸石催化剂作用下形成烷氧化合物，发生s n 2 亲核取代反应的能量比发生e 2 双分子消除反应能量低，故更容易发生s n 2 反应，这在正丁基氯中表现的特别突出。而对应的溴化物和碘化物形成对应的烷氧化物的能垒则比氯化物要低一些，叔丁基卤则只发生消除质子反应。c n a l v e s ，a s c a m e i r o ，j a n d r e 7 s 等 2 0 】利用d f t 理论研究了在含硫硼杂环化合物路易斯酸催化剂下甲基丙烯醛衍生物与戊二烯的d i e l s - - a l d e r 反应。研究发现这些反应都发生不同时的协调性。而甲基丙烯醛与丁二烯加成时则生成内加成产物。a n b a r a s a nk a l a i s e l v ，p o i m a r n b a l a mv e n u v a n a l i n g a m 2 l 】利用d f t 理论研究了顺和反2 ，3 - 二甲基环硫化合物被三乙基亚磷酸开环的反应。探寻了该反应的机理，揭示了立体化学过程的控制方式。研究发现该反应是单步进行的，是通过协同转移过程。在反应中两个c s 键的断裂和s p 键的生成同步进行，生成烯烃也是按同样的立体化学反应进行。k m a r a k c h i ，o k a b b a j ，n k o m i h a ”】等在b 3 l y p 6 3 1 + g + 水平上研究了乙9重庆大学硕士学位论文烯基硫酰氯与n 烯烃基化合物的成环反应，讨论了反应速率、立体性和区域选择性，分析了产物的对称性，提出该反应的可能机理是协同反应机理。同时他们还比较了d f t 和h f 以及a m 2 方法的优缺点。c h o o ns u pr aa n dg y o o s o o ni a r k t 2 3 】在b 3 l y p 6 3 1l + g ( d ，p ) 水平上研究了2 甲基1 一丁烯与s e 0 2 的反应机理，发现该氧化反应分两步进行，第一步是s e 0 2 与烯烃加成，生成1 丁烯的锗的氧化物；然后氧化物再与烯键成环后再开环重新生成2 丁烯，同时还讨论了顺式2 丁烯和反式2 丁烯生成的机理。m i c h a e lg b d r e w ，j o h nm e t c a l f e ，f y a zm d i s m a i l l 2 4 利用d f t 理论研究了抗疟药a r t e m i s i n i n 的主要反应。研究表明内过氧化物在铁离子的存在下生成f e - o键，接着o 一0 键断裂生成氧自由基，随后氧自由基转化为更稳定的碳自由基。然而在六水和铁( i i ) 存在下，氧自由基更容易和锌试剂反应，在盐容易中过氧化物更容易作为一种氧化试剂，溶液起了主要作用。y o r d a n k ad i m i t r o v aa n dl a l k ald a s k a l o v a 2 5 】在b l y p 6 3 1 1 + + g ( d ，p ) 水平上研究了一氧化碳和苯酚以及顺反一邻氰基苯酚形成氢键后的结构、稳定性和振动频率，并对各种成氢键化合物的稳定性进行了比较。b r a n k os j u r s i c 2 6 在b 3 l y p 6 3 1 g * 水平上研究了乙烯衍生物与氮氧杂环环戊二烯衍生物的加成反应，加成后再消除反应生成吡咯类化合物，研究了分子几何结构和能量分布。总之，利用密度泛函理论研究有机化学反应体系已经取得了很大进展，对解释反应机理、预测反应产物、研究选择性反应和立体化学等方面都取得了很大成就；但是对于具体的反应以及溶剂效应和不同的溶液之间的影响尚没有一种固定的理论研究模式。考虑到有机反应影响因素众多，d f t 理论考虑溶剂、压力、温度以及其它一些因素的影响还很不够，因此利用d f t 理论来研究不同类型以及不同条件下的有机反应仍是一条充满困难和挑战的领域。1 3 对羟基苯甲醚的应用与合成方法进展对羟基苯甲醚是重要的医药化工原料，广泛应用于医药中间体和化工原料中，其生产产量也不断在上升，而且在国内外都有很大的需求市场。1 3 1 对羟基苯甲醚应用简介对羟基苯甲醚广泛用于丙烯腈，丙烯酸、甲基丙烯酸及其类等烯基单体的阻聚剂、紫外线抑制剂、染料中间体等。1 ) 用于u v 光油，u v 光固化涂料( u v 塑胶涂料) 中起阻聚稳定作用，防止凝胶氧化现象，可延长树脂溶液产品的储存期，提高稳定性，是一种高效的阻聚剂产品。2 ) 用作丙稀酸、乙烯酸等丙稀基单体及酯的高效阻聚剂，也是乙烯基型塑料单体的阻聚剂，最大优点是添加该阻聚剂后的单体和其它单体共聚时不必除去该1 01 引言阻聚剂，可直接共聚，不会使树脂颜色加深变黄，热稳定性好，是一种高效的阻聚剂产品。3 ) 它还用作防老剂、增塑剂以及食用油脂和化妆品的抗氧剂b h a 等的合成。它有定香作用，用于皂用香精中：而且可用于制作药物。也可用于傲油漆和塑料的抗风蚀剂，紫外线抑制剂。1 3 2 对羟基苯甲醚合成方法进展目前报道的对羟基苯甲醚的合成方法比较多，归纳起来大致有以下几种方法：1 ) 甲醇法：利用对苯二酚和甲醇反应，合成对羟基苯甲醚。林棋f 2 7 】等利用对甲苯磺酸和硫酸钠以及硫酸钙作催化剂催化合成对羟基苯甲醚，最佳工艺条件是：n ( 对苯二酚) ：n ( 甲醇户1 ：6 ，催化剂用量为对苯二酚的用量的l o ，在7 0 回流温度下反应3h ，对羟基苯甲醚收率可达8 1 6 ，但是该反应对催化剂要求较高。2 ) 对氨基苯甲醚羟基化法：蔡剑【2 8 l 等报道了由对硝基氯苯经取代反应生成对硝基苯甲醚；再在还原剂硫化钠的作用下还原生成对氨基苯甲醚；最后经重氮化反应，分解成产品对羟基苯甲醚。着重探讨了对氨基苯甲醚合成对羟基苯甲醚的反应条件及影响其收率的因素。整个合成路线反应条件温和，无需高温、高压、高酸。且每步收率均可达到8 0 以上，该反应的不足之处在于合成步骤太多，降低了总收率。3 ) 三氯甲烷法【2 9 1 ：主要利用三氯甲烷作为甲基化试剂与对苯二酚反应生成对羟基苯甲醚，该方法的收率不高。4 ) 硫酸二甲酯法【3 0 】：利用硫酸二甲酯和对苯二酚进行反应，生成对羟基苯甲醚，该方法成本比较低，且是报道的比较早的对羟基苯甲醚合成方法。5 ) 碳酸二甲酯法：刘海红，季卫刚【3 1 等人报道了利用碳酸- - e p 酯和邻苯二酚反应合成邻羟基苯甲醚，合成的收率只有百分之三十多，碳酸二甲酯是良好的环保的甲基化试剂，无毒无害，但是对催化剂要求高，可以改变催化剂加大碳酸二甲酯的开发力度。该方法可以借鉴用到羟基苯甲醚的合成方法。1 3 3 小结随着量子化学理论的发展，量子化学的应用范围越来越广泛，量子化学已经不再是纯粹的理论化学，而是一门理论与实验相联系的学科了。量子化学理论计算在有机反应体系的应用，使有机合成不再是单一的靠不断摸索和经验进行合成反应，而是可以先通过量子化学的计算，对反应物、中间体( 过渡态) 、产物的性质、结构进行模拟，预测反应的可能产物