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噻唑类分子光谱和热力学性质的理论计算 有机化学专业 研究生：徐布一指导教师：李权教授 摘要本文对实验合成的三种具有生物活性的噻唑类植物抗病诱 导剂分子进行理论计算研究。采用密度泛函理论在b 3 l y p 6 3 1 1 + g * 水平 上对n ( 1 ，3 噻唑2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻二唑7 甲酰胺化合物分子可能的异构 体进行分子几何结构优化和频率计算。结果显示，最稳定异构体分子的酰 胺基团与噻唑环共平面，苯环与噻二唑环共平面，分子由两个共轭平面组 成，其二面角为3 0 0 左右。计算得到其红外和拉曼光谱，温度与热力学性 质的关系式。 在b 3 l y p 6 3 1 1 + g * 水平上计算研究了n 苯基n ( 1 ，3 噻唑2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻二唑7 甲脒和n 异丙基n t ( 1 ，3 噻唑2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻 二唑7 甲脒的结构性质。计算结果表明，两种化合物分子结构中均存在n h n 分子内氢键，分子结构中存在较强的共轭效应，从而使分子结构 较稳定。计算结果得到n 苯基n t ( 1 ，3 噻唑2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻二唑7 甲 脒分子的红外与拉曼光谱以及不同溶剂相下的电子吸收光谱和不同温度 下的热力学性质，为该类化合物构效关系的研究奠定了基础；同时，计算 结果表明n 异丙基n ( 1 ，3 噻唑2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻二唑7 - 甲脒分子具有 较好的紫外光谱活性，其最大吸收在3 8 1 8 2a m ，属于紫外可见光区。 2 - ( i t i 苯4 磺酰胺基1 一苯甲酸衍生物是系列磺胺类药物的原料，本文在 b 3 l y p 6 3 1 + + g 木拳水平对2 ( 甲苯4 磺酰胺基) 苯甲酸分子进行几何构型 优化和频率的计算，得到红外光谱，拉曼光谱和不同温度下的热力学性质。 结果显示，该分子羧基的碳氧原子、磺酰胺基的氮原子与苯环形成不同的 离域大p 键，空间位阻效应和共轭效应使两个苯环不在同一平面，二面角 为6 3 2 0 。使用含时密度泛函理论方法计算第一激发态的电子垂直跃迁能， 得到最大吸收波长为3 1 2 7l i r a ，属于近紫外区，这与该分子在二氯甲烷溶 剂中的实验测得值3 0 7n m 一致。 关键词：噻唑，生物活性，密度泛函理论，光谱，热力学性质 t h e o r e c t i c a lc o m p u t a t i o no ns p e c t r aa n d t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so f t h i a z o lm o l e c u l e s m a j o ro r g a n i cc h e m i s t r y p o s t g r a d u a t e ：x ub u y i t u t o r ：p r o f e s s o rl iq u a n a b s t r a c tt h r e ek i n d so ft h i a z o l ep l a n ti n d u c e rm o l e c u l e sw i t hb i o a c t i v i t y , w h i c hh a v eb e e ns y n t h e s i z e di nl a b o r a t o r y , w e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n df r e q u e n c yc a l c u l a t i o no fn - ( 1 ，3 t h i a z o l 一2 y 1 ) - 1 , 2 ，3 - b e n z o t h i a d i a z o l e - 7 c a r b o x a r n i d eh a v eb e e nc a r r i e do u tu s i n gd e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r ya tt h el e v e lo fb 3 l y p 6 3 1 1 + g 毫t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m o s ts t a b l ei s o m e ri sm a d eo ft w oc o n j u g a t ep l a n eo fa m i d e - t h i a z o lr i n gp l a n e a n db e n z o - t h i a d i a z o l er i n gw i t ht h ed i h e d r a la n g l eo fa b o u t3 0 0 ，a n dt h e yf o r m a na l m o s tb i gc o n j u g a t ep l a n e t h ei ra n dr a m a ns p e c t r aw e r eo b t a i n e da n d t h er e l a t i o n s h i po ft h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e sw i t ht e m p e r a t u r eh a v eb e e n c a l c u l a t e d t h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fn p h e n y l - n - ( 1 ，3 - t h i a z o l 2y 1 ) 1 , 2 ，3 一b e n z o t h i a d i a z o l e - 7 - c a r b o x a m i d i n e a n d n - i s o p r o p y l - n - ( 1 ，3 - t h i a z o l - 2 - y 1 ) - 1 ，2 ，3 - b e n z o t h i a d i a z o l e 7 - c a r b o x a m i d i n ew e nc a l c u l a t e du s i n gd e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r ya tt h el e v e lo fb 3 l y p 6 3 1 1 + g t h ec o m p u t e dr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee x i s t e n c eo fi n t r a - m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n dn h n 啪 s t a b i l i z et h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e sb e c a u s eo ft h e s t r o n gc o n j u g a t e e f f e c ti nt h em o l e c u l e i ra n dr a m a ns p e c t r a , e l e c t r o n a b s o r p t i o ns p e c t r au n d e rd i f f e r e n ts o l v e n ta n dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e sw e n a l s oc a l c u l a t e d t h e s er e s u l t sp r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h es t u d yo ft h e i rs t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ag o o da c t i v i t yo ft h eu vs p e c t r u mc a nb eo b s e r v e da n d t h em a x i m a la b s o r p t i o nw a v e l e n g t hi so b t a i n e da t3 8 1 8 2 n m ，b e l o n g i n gt o ir v 二v i s i b l ea r e a i i i t h ed e r i v a t i v e so f2 - ( t o l u e n e - 4 - s u l f o n y l a m i n o ) - b e n z o i ca r er a wm a t e r i a l o fs u l f o n a m i d e t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n df r e q u e n c yc a l c u l a t i o no f 2 - ( t o l u e n e - 4 - - s u l f o n y l a m i n o ) - b e n z o i c h a v eb e e n c a r r i e do u ta t b 3 l y p 6 - 3 1 + + g 宰 t h e o r e t i c a ll e v e l ，a n di rs p e c t r u m ，r a m a ns p e c t r u ma n d t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t yi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r eh a v eb e e no b t a i n e d t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec a r b o na n dt h eo x y g e ni nt h e c o o hg r o u p ，a n d t h en i t r o ni n 一( o = s ) 2 - - n hg r o u pc o m ei n t of o r m a t i o no fd i f f e r e n tl a r g ep b o n d sw i t ht h eb e n z e n ec i r c l e s ，a n dt h e r ei sad i h e d r a la n g l e6 3 2 0b e c a u s eo f p l a c eb l o c k i n ga n dc o n j u g a t ee f f e c t t h ef i r s tv e r t i c a le x c i t e ds t a t ee l e c t r o n i c t r a n s i t i o ne n e r g yw a sc a l c u l a t e db yt i m e - d e p e n d e n td e n s i t yf u n c t i o nt h e o r y , a n dt h em a x i m a la b s o r p t i o nw a v e l e n g t hw a so b t a i n e da t3 1 2 7a m ，b e l o n g i n g t on e a ru vw h i c hi si ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lv a l u e3 0 7a mi n d i c h l o r o m e t h a n es o l v e n t k e y w o r d st h i a z o l ；b i o l o g i c a la c t i v i t y ；d e n s i t y f u n c t i o n a l t h e o r y ；s p e c t r a ； t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s i 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，是本人在导师奎壑塾攮指导下，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。本声明的法律结 果由本人承担。 本人承诺：已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书) 学位论文作者签名：彳象佛一 签字日期：加j o 年4 - 月陟e l 导师签名：彤洽 6 签字日期：一外库眵月il ， 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 第一章前言 1 1 苯并噻二唑类植物抗病激活剂 植物病害防治一直是农业生产上的重要研究课题，植物病害防治 主要采用传统的防治方法，如培育抗病品种及使用化学农药等，目前， 新农药开发难度大，成功率低【1 ，2 l ，寻求用于植物自身的抗病性或防御 系统进行可持续的病害防治是今后植物保护和新农药创制的重要研 究方向之一，植物激活剂苯并【1 ，2 ，3 】噻二唑7 硫代甲酸酯( b t h ) 的成 功开发就是这类研究的典范【”。植物的诱导抗病性又称为系统获得抗 病性( s y s t e m i ca c q u i r e dr e s i s t a n c e ) ，是植物在一定的诱导剂刺激下对病 原菌侵然具有抵抗性的特征【4 , 5 】。植物激活剂又名激发因子( e l i c i t o r ) 6 1 ， 是指本身及其代谢物无直接的杀菌活性，但能诱导植物的免疫系统产 生广谱、持久和滞后的系统而获得抗病性能的化学物质及其前体。植 物诱导抗病性具有抗性稳定，持久，不污染环境等优点，为农业和经 济的可持续发展提供了有利条件，同时被认为是植物保护的新途径 【7 - 1 1 】 o w a l t e r 等【1 2 l 在研究开发磺酰脲除草剂时发现苯并噻二唑类植物诱 导抗病性物质具有生物活性，并首次发现该化合物能激发植物产生系 统获得性抗性( s y s t e m i ca c q u i r e dr e s i s t a n c e ，s a r ) 。b t h 是商品化最 成功的植物诱导抗病激活剂，中文通用名称：活化酯；英文通用名称： a c i b e n z o l a r s m e t h y l ；i u p a c 名称：s 甲基苯并【1 ，2 ，3 】噻二唑7 硫代 羧酸酯【1 。b t h 能迅速被植物吸收和传导，激活植物抗性反应，并影 响病原菌生活的多个环节。 1 2 苯并噻二唑类植物诱导抗病激活剂的构效关系研究 b t h 基本骨架比较简单，但不同取代的b t h 衍生物具有不同的 诱导抗性。构效关系的研究可分别改变苯并噻二唑上7 位的取代基团、 变换苯并噻二唑上苯环的取代基位置与取代基类型以及改变苯并噻 1 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 二唑中五元杂环类型i 刀。结果如下： ( 1 ) 非取代苯并噻二唑及其7 一甲基衍生物均无生物活性，如图1 1 ( a ) 和( b ) 所示。 ( a ) 图1 1 苯并噻二唑及其7 甲基衍生物 f i g 1 1 b e n z o t h i a d i a z o l ea n di t s7 - m e t h y ld e r i v a t i v e ( 2 ) 各衍生物的生物活性与取代基在苯环上的位置直接相关，4 ， 5 或6 位上各取代衍生物，即使是羧酸衍生物也无诱导活性，如图1 2 ( a ) 、( b ) 和( c ) 所示。 c o o hh ( a ) o o 图1 2 苯并噻二唑羧酸衍生物 f i g 1 2 b e n z o t h i a d i a z o l ec a r b o x y la c i dd e r i v a t i v e ( 3 ) 在一取代的苯并【1 ，2 ，3 】噻二唑类中，如图1 3 ( a ) 一( e ) 所示的7 位羧酸衍生物显示很高的抗性诱导活性，其中酯( a ) 、硫羟酸酯( b ) 和酰 肼( e ) 优于酰胺( d ) ，并且随着取代基r 的分子量增大，活性降低；7 位 磺酸( f ) 、磺酰胺( g ) 、次磷酸( h ) 等基团的化合物及硝基化合物( i ) 则无活 性；同类的羧酸化合物0 ) 亦无活性，而稀键的衍生物( k ) 有中等活性。 2 n n 少 o n n 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 ( a ) ( f ) ( b ) ( d ) ( g ) 0 ) ( c ) ( c ) o h o = p i - i i 领 ( h ) 图1 3 苯并噻二唑一取代衍生物 f i g 1 3 f i r s ts u b s t i t u e n td e r i v a t i v eo fb e n z o t h i a d i a z o l e 3 ( k ) n 心 岁 凡 夕 帆 o 一 一 o o n 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 ( 4 ) 7 位上对应的醛及其缩醛，和相应的烯丙基甲醇及其o 酰基或 o 烷基衍生物比羧酸或者s 甲酯化合物活性低。 ( 5 ) 在7 羧酸衍生物苯环的4 ，5 或6 位上出现第二取代基，会使 相应化合物诱导活性降低甚至消失。 ( 6 ) 噻二唑结构直接影响化合物诱导活性。如以其它五元杂环取 代噻二唑基，如图1 4 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示结构，则无诱导活性，即使是 相应的苯并【2 ，1 ，3 】噻二唑7 羧酸衍生物也无诱导活性。 图1 4 噻二唑基替代物 f i g 1 4r e p l a c e m e n to ft h i a d i a z o l e 国内植物激活剂的创制研究起步较晚，大部分研究集中在b t h 及 其结构衍生上1 3 ，1 0 ，1 1 l 。噻二唑衍生物具有广泛的生物活性，是重要的 医药和农药中间体，噻二唑有【1 ，2 ，3 】噻二唑、【1 , 2 ，4 】噻二唑、【1 ，2 ，5 】噻 二唑、【1 ，3 ，4 1 噻二唑四种异构体，应用最广的f 1 ，3 ，4 】噻二唑衍生物， 【1 ，2 ，3 】噻二唑衍生物生物活性的报道相对较少。南开大学范志金课题 组在国家自然科学基金资助下1 7 - 1 1 , 1 3 - 1 9 】对b t h 结构衍生物进行了深入 研究，合成l l o 多个新化合物，筛选发现1 0 多个新化合物具有较好的 诱导活性，衍生物的化学结构列于表1 1 中。 本文结合范志金课题组的实验合成与生物活性研究，对设计合成 的n ( 1 ，3 噻唑2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻二唑7 甲酰胺，n 苯基n ( 1 ，3 噻唑 2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻二唑7 一甲脒，n 异苯基n ( 1 ，3 噻唑2 基) 1 ，2 ，3 苯并噻二唑7 甲脒等分子进行量子化学计算，得到实验未测定的电子 4 s h n n h 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 光谱与热力学性质，从理论上分析讨论不同苯并噻二唑衍生物的性 质，以期为该类化合物构效关系的研究奠定基础。 表1 1 具有生物活性的苯并【1 ，2 ，3 】噻二唑衍生物的化学结构 t a b l e1 1c h e m i c a ls t r u c t u r eo f1 , 2 3 一b e n z o d t h i a d i a z o l ed e r i v a t i v e sw i t h 编号化学结构编号 化学结构 v 鼢o ha 只f i l i i7丫杈 & ” 5 v 删h 铷d f u 。人u 1 2 i i8 蚁 旺删似 洲h 她。 y 昭 1 3 瞍删麟 i i9 瞍酬m 1 4 v 洲h 必。 i i1 0y 昭心 瞍”5瞍驯艄 5 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 v n 岖 y c s h - n j c 心1 5i i1 1 0 m 6口嘲乳s ， 1 6v 洲岣i i1 2y 昭嘞 良，删 瞍一m 2 p n k fy 昭 1 7 良 眦f 璐 i i1 3 旺删脚3 1 8 吲二坶f i i1 4 t c ： 瞍啊b 删用拍 v j j k v 唾吣 1 9 l i l t 眦一 旺吼m 吣n 1 洲 i i1 q 工盈o c h = 2 瞍嘲h 0 b b l f l l 9 6 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 i i2y 岭3 挣吼一 瞍吼一 y 歧入 一b b l f l 2 。 l i3 0 也8 m 4 丫吒孛。 i i4y 诉 i i l 5 瞍 良 眦一 i i5工奸a i i l 6 y n f 渊剁矶 瞍k 吲胞瞍眦眦3 i i6 uv 衅 m 7 旺芦吲心 旺眦一 7 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 第二章密度泛函理论 2 1 量子化学的发展史 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，而且还对分子物理学，生物化学，材料学和天体物理学 等相关学科产生了大的影响。它不仅用于解释观察的实验现象，补充 实验条件达不到因而不能观察的一些实验结果，而且还被用于预见分 子的结构、过渡态和反应途径；预测分子的电学、磁学和光学等性质。 量子化学是以量子力学为基础，利用量子力学的基本原理和方法来研 究化学问题。与宏观化学不同，量子化学是从微观的角度，对原子、 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、波谱和电子能谱，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等进行研究。应用量子化学的理 论方法对分子间相互作用的计算结果所达精度已经能够直接与实验 结果相比较。 量子化学的发展历史可分两个阶段：第一个阶段是1 9 2 7 年到2 0 世纪5 0 年代末，为创建时期。其主要标志是三种化学键理论的建立 和发展，分子间相互作用的量子化学研究。在三种化学键理论中，价 键理论( v a l e n c eb o n dt h e o r y ，v b t ) 是由p a u l i n g 于1 9 2 5 年在h e i t l e r 和l o n d o n 的氢分子结构工作的基础上发展而成，其图象与经典原子 价理论接近，为化学家所普遍接受。分子轨道理论( m o l e c u l a ro r b i t a l t h e o r y ，m o t ) 是m u l l i k e n 于1 9 2 8 年首先提出，1 9 3 1 年h u e k e l 提出 的简单分子轨道理论对早期处理共轭分子体系起重要作用。分子轨道 理论计算较简便，又得到光电子能谱实验的支持，使它在化学键理论 中占主导地位。配位场理论( l i g a n df i e l dt h e o r y ，e f t ) 由b e t h e 等 在1 9 2 9 年提出，最先用于讨论过渡金属离子在晶体场中的能级分裂， 后来又与分子轨道理论结合，发展成为现代的配位场理论。三种化学 键理论建立较早，至今仍在不断发展、丰富和提高，它与结构化学和 合成化学的发展紧密相联、互相促进。 8 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 第二个阶段是2 0 世纪6 0 年代以后，主要标志是量子化学计算方 法的研究，其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠 和间略微分重叠等方法的出现，扩大了量子化学的应用范围，提高了 计算精度。但是在实际计算时，对于较大的计算体系，极大的计算量 ( 计算时间、硬盘大小和内存大小) ，造成了这些方法的适用范围很 窄。1 9 6 4 年，h o h e n b e r g 和k o h n 开创了电子密度泛函理论，第二年， k o l m 和沈吕九得到了电子密度泛函理论中的单电子方程，即著名的 k o h n s h a m ( k s ) 方程，使得密度泛函理论得以实际使用。 2 2 量子化学计算方法 根据量子力学原理，分子的性质可通过解s c h r 6 d i n g e r 方程来获 得： h 、壬，= e 甲( 2 2 1 ) 其中h 为哈密顿算符，用以描述体系的粒子，、壬，为波函数或本征函数， e 为体系的总能量，或称为本征值。在具体应用量子力学处理化学问 题时，形成量子化学，它在物理模型上有三个近似：非相对论近似， b o m o p p e h n e i m e r 近似( 绝热近似) 与单电子近似( 轨道近似) 。a b i n i t i o 从头计算方法、半经验计算方法和密度泛函理论是几种常用的量子化 学计算方法。 2 2 1a b i n i t i o 从头计算方法 h a r r t e e 提出h a t r e e 方程和自洽场( s c f ) 方法，成为解决多电子体 系量化问题的基础。1 9 3 0 年f o k c 采用s l a t e r 行列式的波函数形式， 把h a r r t r e e 方程改进为h a r t e r f o r k ( h f ) 方程。直到1 9 5 1 年，r o o t h a a n 引入基函数，得到h a r t r e e f o r k r o o t h a a n ( h f r ) 方程，使得h f 方程的 实际计算成为可能。 量子化学从头计算方法是各种计算方法中最可靠、最严格的计算 方法，逐步占据主导地位。它可以获得相当高的精度，基本思想是： 在求解h f 方程时，除了物理模型上三个基本近似及在解方程时数学 9 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 方法上所应用的变分法或微扰法之外，不再引入其它近似：解方程所 遇到的各类分子积分，包括双中心、三中心和四中心积分，由于应用 了g t o ( 高斯型轨道) 函数，均可一一严格计算，不借助任何经验或半 经验参数，以h f 方程作为出发点，适当地选择表示轨道的基本集后， 计算体系全部电子的分子积分，求解s c h r 6 d i n g e r 方程。该方法也存在 定的缺点，所计算的体系较小，计算工作量很大，十分消耗机时。 2 2 2 半经验计算方法 在求解h f 方程时，会遇到一些多中心积分，在应用g t o 函数的 情况下，计算这些多中心积分十分困难。所以，为了适应实际工作的 需要，对上述部分积分以半经验参数计算拟合，由此形成了庞大的半 经验量子化学方法。半经验计算方法是根据实验数据所确定的参数简 化薛定谔方程的求解计算。由于参数的设定是由实验数据决定的，所 以不同的方法适用于不同的体系。该方法可以计算很大的体系，计算 时间快，对其适用的体系，可以达到较好的精度。 2 3 密度泛函理论 2 0 - 2 5 】 2 3 1t h o m a s f e r m i 模型 t h o m a s 和f e r m i 提出了建立在均匀电子气体模型上的 t h o m a s f e r m i 模型。在均匀电子气体模型中，电子不受外力，彼此之 间也无相互作用，以电荷密度代替波函数作为基本变量来描述体系。 考虑到原子核等因素产生的外场v ( r ) 和电子间的经典库仑相互作用， 得到电子体系的总能量表示如下： 例= c 4 协+ p ( r y u ( r ) d r + 珊d 陆 ( 2 3 1 ) p 。上3 s t 2 色h 2 胛 ( 2 3 2 ) 其中p 是电子密度，e f 是体系的f e r m i 能；这样能量被表示为仅决定 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 于电子密度函数p ( r ) 的函数，称为电子密度的泛函。t h o m a s - f e r m i 模型是一个比较粗糙的模型，它以均匀电子气体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。 2 3 2 密度泛函理论基础 密度泛函理论的严格理论基础是h o h e n b e r g - k h o n ( h k ) 第一定理 和第二定理。这两个定理是h o h e n b e r g 和k h o n 在t h o m a s f e r m i 模型 的理论基础时提出来的。 第一定理表述为：处于外势v ( r ) 中的不计自旋的电子体系，其外 势v ( r ) 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，系统的h a m i t o n i a n 量 a h = z + y + u ( 2 3 3 ) 其中r 为电子动能，y 为外势，u 是电子相互作用势。对于不同体系， r 和u 的表达式一样，只有y 不同，只要确定外势，就确定日。定理 一表明，由电子密度可以决定系统h a m i t o n i a n 量所决定的所有性质。 第二定理表述如下：对于给定的外势，体系基态能量等于能量泛 函的最小值。 该定理给出了密度泛函理论的变分法，是使用密度泛函理论进行 实际应用的基础。 2 3 3k o h n s h a m 方程 k o h n 和沈吕九在1 9 6 5 年提出了k o h n s h a m 方程( k s ) ，通过提 取r 和【厂中的主要部分，把其余次要部分合并为一个交换相关项，给 出了能量泛函的具体表述形式。 真实体系的电子总能量表示如下： e ：e r + e y + e u ( 2 3 4 ) 其中，e y ，e 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 1 1 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 营5 0 0 暑 e4 0 0 叠 1 o f r e q u c y 0 1 1 1 05 0 01 0 0 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0 f r e q u e n c y c m 。 图3 3 2 标题化合物分子的红外光谱和拉曼光谱 f i g 3 3 2 i n f r a r e ds p e c t r u ma n dr a m a ns p e c t r u mo ft h et i t l ec o m p o u n d m o l e c u l e s 3 3 l i n c 暑u | 筌 四川师范犬学攻读硕士学位研究生学位论文 3 3 3 分子轨道与电子吸收光谱 利用t d b 3 l y p 对目标化含物分子进行电子光谱的计算，前线轨道 如图3 33 所示。h o m o 轨道上电子云主要集中在噻唑环与n h 形成的 其轭平面上，而l u m o 轨道上电子云主要集中在苯并噻二唑上面。最 高占据轨道到最低空轨道上的电子跃迁主要是噻唑环与n h 形成的共 轭平面上的p 轨道到苯并噻二唑上的p 的跃迁，属于p p 跃迁。 。ro 。j o jj h o m ol u m 0 图3 , 3 3 标题化台物分子的h o m o ( 左) 和l u m o ( 右) 图 f i g 3 3 3v i e wo f h o m o ( 1 e f t ) a n dl u m o ( r i g h t ) o f t h et i t l ec o m p o u n dm o l e c u l e s 由模拟的电子光谱图334 可得，在2 0 0 4 0 0n m 的近紫外光谱范围 内，主要有四个吸收峰，最大吸收在3 8 2a m 处，主要是h o m o 1 t j l u m o 的跃迁。在3 2 2a m 处的较强吸收丰要来自h o m o 到u j m o + 1 的跃迁， 同时h o m o 一2 3 l l u m o 的跃迁也有少量贡献，属于从噻唑环与n h 形 成的共轭甲面到噻_ 二唑，噻唑和甲眯环上的p p + 跃迁。产生2 5 2a m 处吸收的跃迁轨道较多，主要有h o m o - - 3 至i j l u m o 的苯并噻二唑环内 的pp + 的跃迁( 2 4 ) 。2 1 2d m 处的吸收峰吸光度虽强，丰要由h o m o 一- 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 一2 到l u m o + 3 和h o m o - - 1 到l u m o + 2 的跃迁组成，h o m o - - 2 到 l u m o + 3 的跃迁主要是噻二唑的n 3 原子上的电荷向噻二唑上的s 原 子上的转移。 2 0 02 5 0 3 3 5 04 0 0 450,500 ，w a v e l e n g t h ，n m 图3 3 4 标题化合物分子的紫外光谱曲线 f i g 3 3 4s i m u l a t e du v - s p e c t r o s c o p yo ft i t l ec o m p o u n d s 3 3 4 自然键轨道分析 表3 3 2 给出化合物部分电子供体( d o n o r ) 轨道i 和电子受体 ( a c c e p t o r ) 轨道j 之间的相互作用稳定化能e 。e 越大，i 和j 之间的相互作 用越强，即i 向j 提供电子的趋势越大，电子的离域化程度越大。由表3 可知，孤对电子n 4 与c 7 一n 3 ，n 2 与n 1 一s 1 ，s 1 与c 1 一c 6 ，s 1 与n 1 一n 2 键之间的稳定化能均较高，其中n 4 与c 7 一n 3 的最高，同时c 7 一 n 3 与c 8 一n 5 之间的稳定化也较高，这说明n 4 ，c 7 ，n 3 ，c 8 与n 5 形成 了稳定的芳香结构；由表2 可知，苯并噻二唑环的苯环内各键的稳定 化能较高，而噻二唑环上的键与键之间的稳定化能较低，其中c 1 一c 6 与n 1 一n 2 之间的稳定化能较高，同时由于n 原子的吸电子作用较强， 使得c 1 一c 6 上电子云向n 1 一n 2 方向偏移，从而使得c 1 一c 6 与c 5 一c 6 之间的稳定化能较低。 3 5 一 一 一 一 洲 。 二奄ioe、8岳qjo口每io： 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 表3 3 2 标题化合物的自然键轨道分析部分结果。 t a b l e3 3 2p a r to fc a l c u l a t e dr e s u l t so ft h et i t l ec o m p o u n db yn b oa n a l y s i sa d o n o r0 ) a c c e p t o r ( i ) ed o n o ro ) a c c e p t o r ( i ) e l p ( 1 ) n 1b d 宰( 1 ) c 6 - - n 2 3 3 6 8 b d ( 1 ) c 1 - - s 1b d 奉( 1 ) c 5 - - c 6 1 9 1 2 l p ( 1 ) n 2 b d 幸( 1 ) n l s 1 7 9 9 6 b d ( 1 ) c 2 一c 3 b d 幸( 1 ) c 1 - - c 2 2 1 3 0 l p ( 1 ) n 3b d ( 1 ) c 7 - - n 4 5 9 6 2 b d ( 1 ) c 2 - - c 3 b d ( 1 ) c l - - s 1 2 2 4 7 l p ( 1 ) n 3 b d 奉( 1 ) c 8 - - n 5 5 2 5 1 b d ( 2 ) c 2 - - c 3b d 宰( 2 ) c 1 - - c 6 7 8 2 4 l p ( 1 ) n 4b d 宰( 2 ) c 7 - - n 3 2 5 5 4 3 b d ( 2 ) c 2 - - c 3b d 宰( 2 ) c 4 - - c 5 7 0 1 7 l p ( 1 ) n 5b d 幸0 ) c 8 - s 2 6 1 5 5 b d ( 2 ) c 2 - - c 3b d 幸( 2 ) c 7 - - n 3 5 3 3 9 l p ( 1 ) n 5 b d 宰( 1 ) c 9 - - c 1 0 2 1 3 8 b d ( 1 ) c 2 - - c 7b d 4 ( 1 ) n 3 - - c 8 1 9 1 2 l p ( 2 ) s 1b d 幸( 1 ) c 1 - - c 6 1 0 0 0 8 b d ( 1 ) c 4 - - c 5b d 4 ( 1 ) c 6 - - n 2 1 8 4 1 l p ( 2 ) s 1b d 幸( 1 ) n 1 一n 2 8 8 2 4 b d ( 2 ) c 4 - - c 5 b d 木( 2 ) c 1 - - c 6 8 0 3 3 b d ( 2 ) c 1 - - c 6b d ( 2 ) c 2 - - c 3 7 2 3 8 b d ( 2 ) c 4 - - c 5b d 幸( 2 ) c 2 - - c 3 8 8 2 0 b d ( 2 ) c 1 - - c 6b d ( 2 ) c 4 - - c 5 7 1 5 0 b d ( 2 ) n 1 - - n 2b d 宰( 2 ) c l - - c 6 4 5 9 8 b d ( 2 ) c 1 一c 6b d ( 2 ) n 1 一n 2 8 5 0 6 b d ( 1 ) n 1 - - s 1b d 宰( 1 ) c 1 - - c 2 1 9 7 5 b d ( 1 ) c 1 一c 6b d 宰( 2 ) c 5 - - c 6 1 8 4 5 b d ( 2 ) c 7 - - n 3 b d ( 2 ) c 2 - - c 3 2 3 0 5 b d ( 1 ) c 1 - - c 2b d ( 2 ) c 2 - - c 3 1 7 4 1 b d ( 2 ) c 7 - - n 3b d 宰( 2 ) c 8 - - n 5 10 9 8 3 。ed e n o t e st h es t a b i l i z a t i o ne n e r g yi nk j m o l ，b dd e n o t e sb o n d i n go r b i t a l ，b d + d e n o t e sa n t i b o n d i n go r b i t a l ，l pd e n o t e sl o n e p a i r ( 1 ) a n d ( 2 ) d e n o t e st h ef i r s ta n d t h es e c o n d ，r e s p e c t i v e l y 3 3 5 热力学性质 在不同温度下，计算了标题化合物分子的热力学性质，得到标准 具有生物活性的噻唑类药物分子的理论研究 摩尔焓h m ，标准摩尔热容q m ，标准摩尔熵s m 分别与温度的关系，根 据热力学计算公式推出了标准摩尔自由能g m 与温度的关系。该分子的 气态热力学函数h m ，c p m 和s m 与温度成二次曲线增大关系，拟合得到 关系式为： 该分子的气态热力学函数h m ，c p m 和s m 与温度成二次曲线增大关 系，拟合得到关系式为： h m = 6 3 5 1 4 0 + 0 1 4 7t + 2 7 8 5 x 1 0 4t z ( k j m 0 1 ) 0 3 1 ) s m = 2 7 2 0 2 4 + 1 1 5 3t - - 2 7 0 5 x 1 0 一t z ( j ( m 0 1 k ) ) ( 3 3 2 ) c p m 2 3 6 0 6 + 1 1 3 5t - - 5 2 2 1 x 1 0 qt z0 ( m 0 1 k ) )( 3 3 3 ) 由公式g m = h m - - t s m 得到g m 与温度的关系式为： g m = 6 3 5 1 4 0 - - 0 1 2 4t 一8 7 6 8 x 1 0 q t z + 2 7 0 5 x 1 0 t = ，( k j m 0 1 ) ( 3 3 4 ) 如图所示，随温度的升高，该分子的热力学性质标准摩尔焓风， 标准摩尔热容c p m ，标准摩尔熵s m 均增大，这是由于分子振动随温度 的升高而更加剧烈。 互 t 星 5 、 分 3 7 四川师范大学攻读硕士学位研究生学位论文 产 k 匕 o e 邑 、 分 t e m p e r a t u r e k 图3 3 5 标题化合物分子的热力学函数与温度的关系 f i g 3 3 5 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e