（化学专业论文）peg400在knoevenagel缩合反应中的溶剂效应研究.pdf

浙江大学硕士论文摘要 摘要 溶剂不但影响反应的速率、产率，而且还影响反应的选择性，因此溶剂效应 在有机化学反应中有着重要的作用与意义。 聚乙二醇( p e g ) 及其水溶液作为一种可能的新的绿色替代溶剂体系，受到 了人们越来越多的关注。近年来随着计算机技术的突飞猛进，也使得溶剂效应 的理论研究工作有了长足的进步。本文将p e g 4 0 0 作为溶剂应用于k n o e v e n a g e l 缩合反应，采用实验与计算模拟相结合的方法，探讨了它对该缩合反应的影响。 本文以p e g 4 0 0 作为反应溶剂，l 脯氨酸作为催化剂，在室温条件下实现了 芳香醛与丙二腈、氰乙酸乙酯的k n o e v e n a g e l 缩合，不仅反应时间较短，而且 产率较高。实验中发现l 脯氨酸是重要的催化剂，当反应体系中缺少l 脯氨酸 时，芳香醛与氰乙酸乙酯之间的k n o e v e n a g e l 缩合反应不能发生；随着l 腩氨 酸的加入，反应所需时间缩短并且产率提高。实验中还发现带有供电子基团的 芳香醛进行反应的产率要比带有吸电子基团进行反应的产率要高。另外，含有 l 脯氨酸的p e g 4 0 0 溶剂体系至少可以循环使用三次而反应产率没有明显的降 低。 本文还进一步考察了溶剂对k n o e v e n a g e l 缩合反应的影响。在其他反应条件 相同的情况下用常规溶剂水、乙腈、乙醇、二氯乙烷、氯仿和环已烷来替代 p e g 4 0 0 进行k n o e v e n a g e l 缩合反应，发现随着溶剂极性的增加，反应所需时间 有不同程度的缩短并且产率也有所提高，但当具有强极性的水作为反应溶剂时 效果却十分不理想。 本文采用d f t 方法在b 3 l y p 6 3 1 g 水平上对反应物、中间体以及产物的能 量进行了优化计算，同时使用p c m 模型研究了溶剂效应对k n o e v e n a g e l 缩合反 应的影响。计算结果表明：1 ) 溶剂在反应过程中发挥了重要的作用，随着溶剂 极性的增加，反应物、中间体和产物的反应能量以及溶剂化能都有所降低。2 ) 带有给电子基团的芳香醛进行反应的a g 2 9 8 要比带有吸电子基团芳香醛进行反 应的g 2 9 8 要低。3 ) 在芳香醛与氰乙酸乙酯进行k n o e v e n a g e l 缩合反应中，具 有e 构型的产物的能量要比具有z 构型产物能量要低，这也说明其具有e 构型 的产物在反应中生成的趋势更大。 浙江大学硕士论文 摘要 关键词：k n o e v e n a g e l 缩合，p e g 4 0 0 , 溶剂效应，d f t 方法，p c m 模型，l 一 脯氨酸 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s o l v e n te f f e c th a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei no r g a n i cc h e m i s t r y s e l e c t i n ga p r o p e rs o l v e n tn o to n l yi n f l u e n c e st h er e a c t i o nr a t ea n dy i e l db u ta l s oe f f e c t st h e s e l e c t i v i t yo ft h er e a c t i o n a sak i n d o fn e wg r e e ns o l v e n tt ot a k ep l a c et h e t r a d i t i o n a lo r g a n i cs o l v e n t ，p e ga n di t ss o l u t i o nh a v et a k e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h et h e o r e t i c a ls t u d yo f s o l v e n te f f e c ta l s op r o g r e s s e dg r e a t l y i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h es o l v e n te f f e c to f p e g 4 0 0o nk n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o nh a sb e e ns t u d i e db ye x p e r i m e n ta n d c a l c u l a t i o n f i r s to fa l l ，w ec a r r i e do u tt h er e a c t i o no fv a r i o u sa r o m a t i ca n dh e t e r o a r o m a t i e a l d e h y d e sw i t hs e v e r a la c t i v em e t h y l e n es u c ha sm a l o n o n i t r i l e ，e t h y lc y a n o a c e t a t ei n t h ep r e s e n c eo fl - p r o l i n ei np e g ( 4 0 0 m w ) a tr o o mt e m p e r a t u r ea n da t t a i n e dg o o d y i e l di ns h o r tr e a c t i o nt i m e i ti n d i c a t e dt h a tl - p r o l i n ei sv e r yi m p o r t a n ta n d i n d i s p e n s a b l ei nt h er e a c t i o n ：w i t h o u tt h el p r o l i n e ，t h er e a c t i o no f v a r i o u sa r o m a t i c a n dh e t e r o e r o m a t i ca l d e h y d e sw i t he t h y lc y a n o a c e t a t ed i dn o th a p p e n ；b u tw h i l e l p r o l i n ew a sa d d e d t h ey i e l do fr e a c t i o ni m p r o v e dal o t i tw a sa l s os h o w nt h a tt h e c o n d e n s a t i o nr e a c t i o no fa l d e h y d e s ，w h i c hp o s s e s s e sd o n a t i n gg r o u po nt h ea r o m a t i c c o m p o u n d ，w i t ht h ea c t i v em e t h y l e n es u b s t a n c ec o u l db ec a r r i e do u ti nh i g h e ry i e l d t h a nt h a tw i t he l e c t r o nw i t h d r a w i n gg r o u p t h es y s t e mo fp e g 4 0 0c o n t a i n i n g l p r o l i n ec o u l db er e c y c l e da n dr e u s e da tl e a s tt h r e et i m e sw i t h o u tn o t i c e a b l e d e c r e a s eo f t h ep r o d u c t i v i t y s e c o n dl y ，w ec a r r i e do u tt h er e a c t i o no fs o m er e p r e s e n t a t i v ea r o m a t i c a l d e h y d e sw i t hs e v e r a la c t i v em e t h y l e n es u c ha sm a l o n o n i t r i l e ，e t h y lc y a n o a c e t a t ei n t h ep r e s e n c eo fl p r o l i n ei ns i xd i s t i n c tt r a d i t i o n a ls o l v e n t s ( w a t e r , a c e t o n i t r i l e ， e t h a n o l ，d i c h l o r o m e t h a n e ，c h l o r o f o r m , c y c l o h e x a n e ) a tr o o mt e m p e r a t u r ea n df o u n d t h a tt h ey i e l di m p r o v e dw i t ht h ee n h a n c e m e n to fp o l a r i t yo fs o l v e n t h o w e v e r ，w a t e r w h i c hh a ss t r o n gp o l a r i t y , w a sn o tg o o df o rt h er e a c t i o n f i n a l l y ，a l lc a l c u l a t i o nw e r ep e r f o r m e dw i t hg a u s s i a n0 3p r o g r a ma n dt h e g e o m e t r i e so fa l lt h es t a t i o n a r yp o i n t sw e r eo p t i m i z e da tt h eb 3 l y p 6 - 3 1g 1 e v e lo f t h e o r y m e a n w h i l e ，t h et o t a lr e a c t i o ne n e r g i e sa n ds o l v a t i o ne n e r g 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 sa n dt h ep r o d u c tw e r ec o m p u t e du s i n gp o l a r i z e dc o n t i n u u mm o d e la n d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n to u t c o m e s ：l s o l v e n tp l a y sac r u c i a lr o l e si nt h er e a c t i o n ：w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ep o l a r i t yo ft h e s o l v e n t ，t h et o t a lr e a c t i o ne n e r g i e s a n ds o l v a t i o n e n e r g i e s o ft h er e a c t a n t s , i n t e r m e d i a t e sa sw e l la sp r o d u c t sd e c r e a s e 2 ) t h e g 2 9 so ft h ec o n d e n s a t i o n r e a c t i o no fa l d e h y d e s ，w h i c hp o s s e s s e sd o n a t i n gg r o u po nt h ea r o m a t i cc o m p o u n d ， w i t ht h ea c t i v em e t h y l e n es u b s t a n c ew e r el o w e rt h a nt h a tw i t he l e c t r o nw i t h d r a w i n g i l l 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t g r o u p 3 ) i nt h ec o n d e n s a t i o nr e a c t i o no fa l d e h y d e sw i t he t h y lc y a n o a c e t a t e ，t h e p r o d u c t sw i t l le i s o m e rw e r em o r ee a s i l yo b t a i n e dt h a nt h ezi s o m e r k e y w o r d s ：k n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o n ，p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) 4 0 0 ，s o l v e n t e f f e c t ，m e t h o do fd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d e t ) ，p o l a r i z e dc o n t i n u u mm o d e l ( p c m ) ，l p r o l i n e 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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，也不包含为获得澎姿盘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： a 鼢 签字日期： 瑚年c 1 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙鎏太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权进姿态堂 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和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 引阳 导师签名：1 筑兰一才 ul，i 签字同期：枷年 弋月 1 日签字日期：d 8 年c 7 月7 r 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于浙江大学理学院化学系， 受国家知识产权保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发 表论文或申请专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师 的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位作全部 和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法 律责任由本人承担。 学位论文作者签名 日期：年月日 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 在所有工业生产污染之中，化学工业占了其中很大一部分毫无疑问，在过 去的几十年中，化学工业在致力于减少污染危害方面做了巨大的努力。化学家 们发展了许多新方法来处理化学废物以及减轻废物排放的后果。新的检测手段、 新的控制程序、综合治理技术不断的进行发展。虽然它们对化学污染的治理起 到一定的积极作用，但是只是被动的去控制污染并不是真正意义上的绿色化学。 绿色化学就是在化学品的设计、制造和使用过程中利用一系列的原则来减少甚 至消除有害物质的使用或在过程中的产生n 1 。绿色化学的目的是在化学转化过 程中对污染进行有效的预防，把污染从末端的治理转变为从源头的控制。绿色 化学涉及对化学产品及其合成路线的设计与改造。通过提供一个新的高效的方 法，即通过改变化学反应与工艺过程，从而从根本上减少或消除危害物质的产 生，并进而解决环境问题。 绿色化学的核心内容之一是“原子经济性”，即充分利用反应物中的各个原 子，因而既能充分利用资源，又能防止污染。原子经济性的概念是1 9 9 1 年美国 著名有机化学家t r o s t 2 提出的，用原子利用率衡量反应的原子经济性。高效的 有机合成反应就是最大限度地利用原料分子中的每一个原子，使之结合到目标 分子中，达到零排放。绿色有机合成应该是原子经济性的，原子利用率越高， 反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。 在化学工业生产中往往需要使用大量的挥发性溶剂( v o c ) ，溶剂的挥发或 者泄漏不仅给环境造成了直接的污染，而且许多的溶剂沸点较低，在进行化学 反应的过程中潜伏着易燃甚至爆炸的危险。随着社会的发展，人们环保意识的 不断增强，寻找一种“绿色”溶剂来替代挥发性有机溶剂，从而减少环境污染 是绿色化学的重要研究内容之一。聚乙二醇( p o l y e t h y l e n eg l y c 0 1 ) 以其独特的 物理、化学性质，不同于传统溶剂的反应性能和良好的可循环性，被视为绿色 化学和清洁生产工艺中具有广泛发展前景的反应介质，其潜在的价值已经引起 了全世界绿色化学研究者的极大关注。 聚乙二醇是在绿色化学概念下发展起来的一种新的“绿色”反应介质，除了 它早已被人们所熟知的相转移催化作用，近年来聚乙二醇在有机合成反应之中 淅江大学硕士学位论文第1 章绪论 被广泛用作溶剂以及双相反应介质用于进行水介质双相反应性萃取。 本文将聚l - - 醇4 0 0 作为溶剂应用于k n o e v e n a g e l 缩合反应中，利用其所具 有的非挥发性、高稳定性以及良好的溶解性和简易的可操作性，来代替传统的 有机溶剂，并利用p c m 模型进行反应理论计算研究，从实验与理论两个方面 共同阐述聚l - - 醇作为“绿色”溶剂的优越性。 浙江大学硕士学位论文第2 章文献综述 2 1 引言 第2 章文献综述 随着化学这门学科的不断向前发展，人们对于进行化学反应的介质一溶剂的 认识也越来越深刻、透彻d 1 化学工作者对于溶剂对化学反应的影响的关注有 着悠久的历史。在古代炼金术流行时期，炼金术士在炼金过程的同时，一直希 望找到一种能够溶解万物的物质，他们称它为“万能溶剂”虽然“万能溶剂” 最终没有找到，但在寻找“万能溶剂”的过程之中，发现了许多能够溶解其他 物质新物质，这就是早期对于溶剂认识的发展，并且在大量实验事实和经验总 结的基础上发现了“相似相容”原理。 而现代的溶剂理论的进一步发展是在法国学者r a o u l t 。荷兰化学家v a n h o f f b 和瑞典科学家a r r h e n i u s ”1 三个人研究的的基础之上发展而来。r a o u l t 系 统的研究了溶解非粒子物质对冰点和沸点的影响，并发现溶液上方溶剂的蒸汽 压与溶液中溶剂的摩尔分数成正比，这便是被每个人所熟知的r a o u l t 定律。 a r r h e n i u s 在1 8 8 4 年提出了离子溶质在溶液中会完全或者部分的解离为阴离子 和阳离子，这一理论的提出可以解答了当时人们在解释无机溶质对溶液的物理 性质影响时所遇到的难题。之后，荷兰科学家v a nh o f f 提出用渗透压来代替之 前的压力，从而将之前使用于气体的理论规律应用到了溶液体系当中，并且在 广泛的应用中都取得较好的结果。为了表彰他们在溶液体系理论方面作出的卓 越贡献，将第一个诺贝尔化学奖授予的v a nh o f f 和a r r h e n i u s ，这也更加凸显了 溶剂理论在化学中的重要性。 当化学工作者准备进行一个有机化学反应时，其中需要重要考虑的因素之 一就是对反应溶剂的选择。溶剂在化学反应过程中起到重要的影响，不仅溶解 反应的试剂，而且影响反应的速率、产物的化学结构构型和立体选择性。并且 溶剂的选择也对反应之后的处理阶段如萃取和纯化等过程产生影响。 现阶段，在进行化学反应时所选择的溶剂一般为烃类化合物( 其中也包括卤 代产物和芳香烃类化合物) 、酯类化学物和醇类化合物。虽然这些化合物在有机 浙江大学硕士学位论文第2 章文献综述 化学反应中作为溶剂的实用性和重要性不言而喻，但是不可避免的就是这些化 合物会对环境产生一定的危害。大多数的有机溶剂都存在一些“与生俱来”的 特性如可燃性、挥发性和毒性。每年数以百万吨的有机溶剂被释放到环境之中， 结果造成了空气和水污染的增加，还使得全球气候不断变化。从而在化学品生 产的源头就埋下了对环境污染隐患。 直到近二十年来，由于对取代易挥发、毒性大的有机溶剂的环境友好取代物 的不断深入研究，这种状况才有所改善。现在化学工作者开始迎接一个新的挑 战，那就是在不降低反应效率的前提下，“绿色溶剂”来取代之前的传统有机溶 剂，从而大幅度的降低对环境的影响作用1 4 5 1o 作为最理想的绿色溶剂一般具有 几个突出的特点：高沸点、低蒸汽压、无毒、溶解有机化合物的范围广、价格 低廉和具有可回收性。当所有这些条件放在一起时，对于找到一种或者一类化 合物来作为绿色溶剂的难度大大增加。但是，在来自世界各地研究小组的不断 努力之下，已经发现一些新物质来替代传统有机溶剂，其中包括：超临界流体、 离子液体、低熔点的高分子化合物、全氟化合物和水等1 。 所谓溶剂效应即溶剂对于反应速率、平衡甚至是化学反应机理产生的重要影 响。绝大多数在溶剂中发生的有机化学反应，溶剂的性质无论是对反应的速率 还是反应的平衡都有重要的影响。溶剂可分为极性溶剂和非极性溶剂，极性溶 剂又可分为质子溶剂和非质子极性溶剂。溶剂效应对反应速度常数的影响依赖 于溶剂化反应物分子和相应的溶剂化过渡态的相对稳定性。对于自由基过渡态 反应，溶剂效应影响较小；对于偶极过渡态反应，溶剂效应的影响比较大。例 如非质子极性溶剂，其结构特点比较特别。显正电一端藏于分子内部，显负电 端暴露在分子外部，因此在非质子极性溶剂中，用具有负离子的反应试机进行 反应时，由于它不能被溶剂分子包围，所以可以很容易地进行反应，从而大大 加快了反应速度。 由此可见，溶剂在化学反应的过程之中起到了十分重要的作用。因此，溶剂 对化学反应的影响也引起了更多化学家的广泛关注，人们不断从实验基础出发， 更加深入的进行溶剂效应理论方面的研究。 浙江大学硕士学位论文第2 章文献综述 2 2 溶剂效应理论研究方法 2 2 1 密度泛函理论( d f t ) 在溶剂效应中的应用 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 ) 是一种研究多电子结构的量 子理学方法密度泛函理论在物理与化学领域之中都有着相当广泛的应用，特 别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理计算与计算化学领域十分常 用的方法之一。 d f t 方法主要是对一个重要问题的考虑：在量子化学重头算之中，对于一 个n 电子的体系，n 电子的波函数依赖于3 n 个空闻变量以及n 个自旋变量共 4 n 个变量的波函数是否能用其他相对简单的变量来替换这4 n 个变量以达到简 化计算的目的。由于波函数在实验方法上无法准确的测定，但电子密度却是可 以的，并且电子密度与波函数模的平方有相对应的关系。对于依赖4 n 个变量 的波函数，将随着体系的变大电子数目的增多使得计算变得越来越困难，而体 系的哈密顿算符只不过是由单电子和双电子算符组成的，同时只能跟体系中的 单个电子和双电子的信息相关，因此对于计算的目的而言，波函数中的4 n 个 变量已经包含了多余的信息。因此t h o m a s 和f e r m i 在1 9 2 0 年发展了t h o m a s f e r m i 模型( t f m ) 。他们将一个原子的动能表示成电子密度的函数，并加上 原子核一电子和电子一电子的相互作用的经典表达来计算原子的能量。t f m 虽 然是一个很粗糙的模型，但有着重要的意义，它将电子动能第一次明确地以电 子密度的形式表示并广泛的应用到原子物理领域当中 1 但此模型由于没有考 虑到h a n r e e f o r k 理论中指出的原子交换能，因此t h o m a s f e r m i 模型的精确 度受到了一定的限制。1 9 2 8 年d i m e 在该模型的基础上增加了一个交换能函数 项，然而在大多数的应用之中t h o m a s f e r m i d i m e 理论还是表现的非常不准 确。其中最大的误差来自动能的表示，还有能量交换中的误差以及对电子相关 作用的完全忽略。 随后，h o h e n b e r g k o h n 定理的提出使得密度泛函理论有了坚实的理论基础。 h o h e n b e r g - k o h n 第一定理指出：体系的基态能量仅仅是电子密度的函数； h o h e n b e r g - k o h n 第二定理则指出：以基态密度为变量，将体系能量最小化之后 浙江大学硕士学位论文 第2 章文献综述 就得到了基态能量。最初的h o h e n b e r g k o h n 理论只适合于没有磁场存在的基 态，现在已经得到了推广。并且最初的h o h e n b e r g k o h n 理论也仅仅指出了一一 对应关系的存在，但没有提供任何这种精确的对应关系。 密度泛函理论中最普遍的应用是通过k o h n s h a m 方法实现的在k o h n s h a m 的d f t 框架中，之前最难处理的多体系问题被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。这个有效势场包括了外部电势以及电子间 的库伦相互作用的影响( 如交换和相关作用) 。处理交换作用是k o h n s h a m d f t 中的难点。目前并没有精确求解交换相关能e x c 的计算方法。最简单的 近似求解方法为局域密度近似( l d a ) 。l d a 近似使用均匀电子气来计算体系 的交换能( 均匀电子气的交换是可以精确求解的) ，而相关能的部分则采用对自 由电子气进行拟合的方法进行处理。 自1 9 7 0 年以来，密度泛函理论在固体物理领域计算中得到广泛的应用。在 多数的情况下，与其他解决量子力学多体系问题的方法相比，采用局域密度近 似的密度泛函理论给出了非常令人满意的结果，同时计算相比实验的费用要小。 尽管如此，人们还是普遍的认为量子化学计算不能给出足够精确的结果，直到 二十世纪九十年代，理论中所采用的近似被重新提炼成更好的交换相关模型。 密度泛函理论是目前多种计算领域中电子结构计算的领先方法。1 9 9 8 年k o h n 也因为d f t 的开创性工作和p o p l e 共同获得了诺贝尔化学奖，这也表明了d f t 在量子化学计算领域中的地位。 密度泛函理论改变了以往轨道波函数为基础的特点，该方法以密度函数为基 础，由此发现出的定域密度泛函近似( l d f t ) ，自旋密度函数近似( l s d a ) 、 广义梯度近似( g g a ) 、密度泛函与分子轨道杂化方法( b 3 l y p ) 等等。d f t 可以解决原子、分子中许多问题，如：振动光谱的研究、生物分子的电子结构， 几何结构等等暗1 。随着化学工作者对溶剂效应的关注程度越来越高，密度泛函 理论也广泛的应用于溶剂效应的理论研究之中 9 - 3 1 。 2 2 2溶剂效应理论模型 随着人们对化学反应研究的深入，发现对于溶剂效应的研究有着重要的意 浙江大学硕士学位论文第2 章文献综述 义，并发展了各种不同的理论计算方法。而对于溶剂模型而言，区分“现代” 溶剂模型与“传统”溶剂模型主要差别就是是否加入了量子化学计算n 钔 从实验的角度而言，溶剂效应主要体现在两个方面h5 1 ：一是溶剂分子与溶质 的络合或氢键等分子间的弱相互作用( 也称作“短程”作用) ；二是极性溶剂通 过静电作用对溶质分子电荷分布的影响( 也称作“远程”作用) 。对于“短程” 作用的理论计算研究，往往需要运用“真实溶剂模型”( e x p l i c i ts o l v a t i o nm o d e l ) 6 1 ：即需要考虑多个溶剂分子与溶质的相互作用，因为这种作用经常由许多不 同构型的弱相互作用的络合体贡献而得，这种模型的具体应用往往需要结合蒙 特卡罗或者分子动力学等方法。对于“远程”作用而言，通常需要采用“虚拟 溶剂模型”( i m p l i c i ts o l v a t i o nm o d e l ) 来计算n 甜因此，考虑溶剂效应可以采 用三种策略：( 一) 对于短程作用体系，我们采用真实溶剂模型( e x p l i c i ts o l v a t i o n m o d e l ) 直接考虑溶剂分子和反应中心的作用。( 二) 对于没有短程作用的体系， 我们直接用虚拟溶剂模型( i m p l i c i ts o l v a t i o nm o d e l ) 来模拟远程作用。这种虚拟 溶剂模型通常是把溶剂效应看成是溶质分子分布在具有均一性质的连续介质 ( c o n t i n u u m ) 当中。( 三) 短程作用的e x p l i c i ts o l v a t i o nm o d e l 和远程作用的连续 介质( c o n t i n u u m ) 模型结合起来的方法渐渐为人们所青睐。这种方法得到的结果 更为可靠，因为它综合的考虑溶剂的短程作用和远程作用。 总体来说，这些考虑溶剂效应的理论研究方法分为两类：一类是采用经典力 场的动力学模拟；另一类是采用严格的量子力学计算方法。而在其中有着悠久 历史并有着广泛应用就是连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) ，所谓连续介质模 型是将溶剂整体看作连续介质，并推导能够描述主要溶剂性质的解析方程。连 续模型在一个多世纪之前被开发出来用来处理简单体系，并且此模型被沿用将 近五十年的时间。但真正具有开拓性进展研究是在三十年前，由c l a v e r r i e ， r i v v a i l 等人将量子力学方法引入到溶剂效应模型之中 1 4 o 由于连续介质模型的 不断发展，它所能够处理体系的范围不断扩大，其中包括复杂的凝聚体系( 离 子溶液、各相异性电介质、非均相体系、气一液体系，液一液表面体系和晶体 等等) 。这使得我们不断扩大其应用范围，而且更深入去研究一些之前不能被计 算机进行的模拟现象与过程。传统意义上讲，量子力学强调的是分子集合的离 散性而不是分子分布的连续性。而加入量子力学的连续模型是一种处于只有单 淅江大学硕士学位论文第2 章文献综述 分子电子介质模型和体系庞大的分子集合介质模型两种极端的中间体。 连续介质模型有许多的分支，其中应用最广泛的就是自洽反应场理论。其中 包括p c m 【极化连续介质模型( p o l a r i z e dc o n t i n u u mm o d e l ) ，这也是最常用的 分子之一】、o n s a g e r 、c o s m o 、s m x ( x = 1 5 ) 等等。p c m 也是本文采用的 最主要的溶剂效应模型。 2 2 2 1p c m 模型 ( 1 ) p c m 模型概述 p c m 模型最早是由意大利比萨大学的t o m a s i 教授于1 9 8 1 年提出的，后来 又发展出诸多改进技术n 钉。p c m 模型将溶液中的自由能来源于三部分的贡献。 a g s o l v a t i o n 。a g c 甜i t y + ( ；d i s o e r s i o n r e p u n i + a g e i e c t r o s t a t i c 首先在溶剂分子中建立一个容纳溶质分子的空穴( c a v i t y ) ，而因此会导致体 系的能量升高，这部分的能量称为c a v i t yf o r m a t i o ne n e r g y ，这个值永远是正值。 其次将溶质放入空穴之中后，溶质和溶剂的作用，其中包括范德华力作用和一 些较弱的排斥作用( 不包括静电排斥) 。这部分的能量称为色分散一排斥能 ( d i s p e r s i o n r e p u l s i o n e n e r g y ) ，一般为负值( 使得能量降低) 。前两项的能 量与空穴表面积接近正比关系，在p c m 模型中，这两项能量由表面积结合一 些原子特性相关的半经验参数计算而得。溶质分子的非均匀电荷分布会通过静 电作用使连续介质( 溶剂) 产生极化，而溶剂的极化作用反过来又会影响到溶 质分子的电荷分布。这种通过静电的相互作用最终的效果是使得体系能量降低， 这种作用贡献的能量称为静电能( e l e c t r o s t a t i ce n e r g y ) ( 2 ) p c m 模型空穴( c a v i t y ) 构建 p c m 模型的空穴可以由多种方法构建而成，g u a s s i a n 0 3 默认采用的u a 0 ( u n i t e d a t o m ) 空穴由以重原子( 即非氢原子) 为中心的多个球体组成。每个 淅江大学硕士学位论文第2 章文献综述 球体的半径又由原子类别，成键方式，氢原子成键数目以及分子总电荷数决定， 再乘以一个与溶剂性质相关的系数。为了使球体接触位置的表面更光滑，还将 添加一些不以重原子为中心的球体。还需说明的是上面介绍的这种空穴表面为 溶剂排斥表面( s o l v e n te x c l u d i n gs u r f a c e ，s e s ) ，意思就是溶剂分子可以接 近溶质，产生静电作用的最近距离。这个空穴只用于静电能的计算。计算色分 散一排斥能需要使用溶剂接近表面( s o l v e n t a c c e s s i b l es u r f a c e ，s a s ) u 耵，s a s 为s e s 向外扩展溶剂分子半径长度而得。而计算空穴能量时则一般使用范德华 表面。因为空穴形状不规则，p c m 模型只能使用数值计算方法求解空穴表面的 电荷分布。 ( 3 ) 自洽反应场( s c r f ) 模型 前面已经简要的介绍了计算静电能的基本原理：构建空穴、产生表面碎片之 后，首先进行气态下溶质分子的量子化学计算，得到空穴表面各碎片的电荷， 然后将该电荷对溶质分子的静电作用作为一个势能项加到哈密顿算符中重新求 解，得到新的电荷分布之后，进行迭代直至自洽。这个过程于s c f 运算很相似， 只是多了一项与空穴表面碎片电场有关的势能算符。这种方法叫做自洽反应场 ( s e l f c o n s i s t e n t r e a c t i o nf i e l d ) 模型 ( 4 ) p c m 模型的变体 p c m 模型中加入很多假设和半经验参数，为了提高p c m 计算的精确度，二 十多年来很多研究小组对p c m 进行多方面的改进，由此发现出多种基于p c m 模型的理论： 1 ) 等密度表面极化连续介质模型( 1 s o d e n s i t ys u r f a c ep c m ， i p c m ) i p c m 采用分子的等( 电子) 密度面作为空穴，同样进行自洽反应场叠代，直 至等密度面不再变化为止。 2 ) 自洽等密度表面极化连续介质模型( s e l f - c o n s i s t e n ti s o d e n s i t ys u r f a c e p c m ，s c i p c m ) 浙江大学硕士学位论文 第2 章文献综述 s c i p c m 同样采用分子等( 电子) 密度面作为空穴，与i p c m 不同的是 s c i p c m 除了考虑静电效应对等密度面的影响之外，还将体系总能量( 包括溶解 能) 包括进来，以优化到具有最低能量的等密度面。因为由于等密度面( 空穴) 的变化会影响c a v i t yf o r m a t i o ne n e r g y 和色分散一排斥能，所以把这两项因素加 入叠代是很有必要的。 3 ) c p c m 或c o s m o ( c o n d u c t o r l i k es c r e e n i n gm o d e l ) 和典型的p c m 不同，c p c m 或者c o s m o 采用原子电荷而不是电子密度来 计算静电势。由于采用了这个近似，虽然计算速度快很多，但精度也有所降低。 4 ) i e f p c m ( p c mu s i n gt h ei n t e g r a le q u a t i o nf o r m a l i s mm o d e l ) 而1 9 8 1 年t o m a s i 提出的原始p c m 模型已经改名为d p c m ( d i e l e c t r i c p c m ，连续绝缘连续介质模型) 以避免与c p c m 和i e f p c m 混淆。使用不同的 数学模型的p c m 模型，可以计算在各项异性介质( 如液晶) 或者非绝缘溶液 ( 离子溶液) 中的溶剂效应1 1 7 - 2 7 1 。 2 3 聚乙二醇概述 2 3 1 聚l _ c - - 醇的分类与性质 聚l - 醇( p o l y e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ，分子式h o 一( c h 2 c h 2 0 ) 。一h ，是由环氧乙烷进 行线性聚合反应得到的径卧。其作为商品可以得到的分子量范围是比较宽的，从 2 0 0 到几万。室温条件下，分子量小于6 0 0 的聚乙二醇分子为无色透明粘稠液 体，具有水溶性和易吸潮性，液体状的聚乙二醇可以与水以任何比例进行混溶。 当其分子量大于8 0 0 时，则外观呈蜡状，固态的聚乙二醇是高水溶性的 2 9 1 需 要说明的是对聚l - 醇而言的分子量是指数均分子量。一般而言，分子量小于 2 0 0 0 0 的聚l - - 醇具有价格低廉、热稳定性优良、可回收、毒性低和对生物环 境友好等性质，而且聚乙二醇具有比较低的蒸汽压且不易燃，其在实验操作过 程中十分简易还可以循环使用t 3 0 l 。目前聚乙二醇在润滑品、电子、化妆品和医 药等领域有着广泛的应用。 浙江大学硕士学位论文第2 章文献综述 2 3 2 聚乙二醇在化学中的应用 2 3 2 1 聚乙二醇作为相转移催化剂 在有机合成中常遇到非均相有机反应，这类反应的通常反应速率慢，收率低。 相转移催化作用能使离子化合物与不溶于水的有机物质在低极性溶剂中进行反 应，或加速这些反应相转移催化剂( p t c ) 把一种实际参加反应的化合物， 从一相转移到另一相中，以便使它与底物相遇而发生反应。聚乙二醇和它的许 多衍生物也被作为相转移催化剂来进行研究，用来替代价格昂贵、对环境有破 坏的相转移催化剂 聚乙二醇类相转移催化剂可以与客体分子形成超分子结构。其具有柔性长链 分子，可以折叠、弯曲成合适的形状结构与不同大小的离子络合，从而使得聚 l - 醇类相转移催化剂具有了更为广泛的应用性。常用的催化剂有p e g 4 0 0 、 p e g 6 0 0 ，p e g 单醚( 如m e o - p e g ) 、p e g 双醚以及p e g 单醚单酯等，以用于 亲核取代反应、烷基化反应、缩和反应、氧化还原以及金属化合物的合成等1 3 1 1 。 如： 1 ) w i l l i a m s o n 醚合成 w i l l i a m s o n 反应是一类重要的亲核取代反应，通常是在醇类溶剂中由卤代烃 与醇盐反应得到，但由于为非均相反应所以反应情况不理想。以p e g 2 0 0 0 作为 相转移催化产物醚的有较高产率2 1 ，并且与相同反应条件下以冠醚作为相转移 催化剂产率相接近。 r 1 o h + r 2 x r 1 = c n h 2 n + ln = 1 0 j 2 x = b r c i ，l n = 4 ，8 2 ) 氧化反应 p e g 2 0 0 0 f r e es o l v e n tr 。r ， 烯烃氧化制备醛酮类物质在有机化学工业中有着重要的意义和广泛的应用。 李华明力等人一用p e g 6 0 0 作为相转移催化剂对l 一丁烯、顺一2 一丁烯和1 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章文献综述 癸烯等物质进行氧化反应等到了很好的反应选择性与产率 r - - h c ：c i - 1 2 + 1 2 0 2 p e g 6 0 0 p d c l 2 c u c l 2 r 0 1 1 3 除此之外，p e g 还常用作负载催化剂( p e g s u p p o r t e dc a t a l y s t s ) 阻1 起到相 转移催化的作用。许多不同具有可溶解性的高分子化合物都被用作负载物来增 加催化剂的稳定性。因为一些在某些溶剂中无法溶解的催化剂当它们被连接到 可溶性的高分子化合物上时，使得其可以在之前无法溶解的溶剂中进行溶解。 由于聚乙二醇良好的溶解性，因此被常被用连接某些催化剂的负载物。 如： 1 ) 在a s y m m e t r i cd i h y d r o x y l a t i o n ( a d ) 反应中应用 h a n 和j a n d a 3 5 1 首先报道将m e o p e g 连接到二氢奎纳定( d h q d ) 之上作 为催化剂( 图1 1 ) 催化l ，2 一二苯乙烯的a s y m m e t r i cd i h y d r o x y l a t i o n ( a d ) 反应得到的目标产物有很高产率与旋光纯度。并且利用催化剂的沉淀性质可以 很好的回收催化剂，催化剂经过