（物理化学专业论文）多元缩合生成新型巴比妥酸盐衍生物反应机理的理论研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 蠡，赴日期：知知年当月劫日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；，本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索i 可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 蠡夕赵日期：知勿年当月劫日 摘要 摘要 本论文采用密度泛函理论研究了两个多元缩合反应的反应机理：论文第一 部分对伯胺、丙炔酸酯和四氧嘧啶衍生物缩合反应生成巴比妥酸盐衍生物的反 应机理进行了探求；论文的第二部分从理论上研究了由吖嗪、活泼炔和1 ，3 一二 甲基四氧嘧啶缩合生成新型螺旋状一嗯嗪类巴比妥酸盐化合物的反应机理。 第一个课题是“伯胺、丙炔酸酯和四氧嘧啶衍生物缩合生成巴比妥酸盐的 反应机理研究，这个课题运用密度泛函的方法在b 3 l y p 6 31 1 + + g ( d ，p ) 水平下 对伯胺、丙炔乙酯和四氧嘧啶的反应机理进行了研究。这个反应机理包含两个 部分：第一部分是伯胺和丙炔乙酯经过两条相互竞争的反应路径( 路径a 和路径 b ) 反应生成富电子的烯胺；第二部分是烯胺亲核进攻四氧嘧啶，经由四条不同 的反应路径生成最终的产物巴比妥酸盐衍生物( 路径b l 、路径b 2 、路径b 3 和 路径b 4 ) 。计算结果表明路径b 4 是最优的反应通道，并且水分子在反应过程中 起到的质子转移媒介的作用。另外我们的计算结果也表明反应可以在常温下顺 利进行，这与实验事实符合。 第二个课题是“吖嗪、炔和l ，3 一二甲基四氧嘧啶缩合生成螺旋状一嗯嗪类巴 比妥酸盐的理论研究”。在这个课题中，我们运用密度泛函的方法对吡啶、丁炔 甲酯和l ，3 一二甲基四氧嘧啶缩合生成螺旋状嗯嗪类巴比妥酸盐的反应机理分别 在b 3 l y p 6 3 1 g ( d ，p ) ( 气相) 和b 3 l y p 6 3 1 1 + + g ( d ，p ) ( 液相) 条件下进行了研 究。具体的反应分为三个步骤：首先，吡啶亲核进攻丁炔甲酯得到中间体m 1 ； 然后m 1 和1 ，3 一二甲基四氧嘧啶发生亲核反应生成另一个中间体m 2 ；最后伴随 着一个c 2 - 0 7 键的生成得到了最终的产物螺旋状一嗯嗪类巴比妥酸盐。计算结果 表明所设计的反应路径在常温下即可顺利进行。考虑了无水c h 2 c 1 2 溶剂效应的 液相反应路径决速步能垒是1 8 0 2k c a l m o l ，这样低的能垒和实验事实符合的非 常好。 关键词：密度泛函理论，反应机理，多元反应，伯胺，丙炔乙酯，四氧嘧啶， 巴比妥酸盐，吡啶，丁炔甲酯，1 ，3 一二甲基四氧嘧啶，螺旋状一嗯嗪类 巴比妥酸盐 a b s t r a c t a b s t r a c t d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) c a l c u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u tt os t u d yt h e m e c h a n i s m so ft w om u t i c o m p o n e n tc o n d e n s a t i o nr e a c t i o n si nt h ep a p e r t h ef i r s ti sa r e s e a r c ho nt h em u l t i c o m p o n e n tr e a c t i o nm e c h a n i s mo fp r o p - 2 - e n - 1 - - a m i n ea n da l k y l p r o p i o l a t e 谢t 1 1a l l o x a nd e r i v a t i v e a n dt h es e c o n di st h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n a b o u tm e c h a n i s mo ft h es y n t h e s i so fs p i r o o x a z i n o b a r b i t u r a t ef r o ma z i n e ，a c t i v a t e d a c e t y l e n ea n d1 ，3 - d i m e t h y l a u o x a n t h em u l t i c o m p o n e n tr e a c t i o nm e c h a n i s m so fp r o p - 2 - - e n - - 1 - - a m i n ea n de t h y l p r o p i o l a t ew i t ha l l o x a nw e r es t u d i e du s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) t h e r e a c t i o nm e c h a n i s m sw e r ef o u n dt oc o n s i s to ft w o s t a g e s f i r s t ，t h e p r o p 2e n1 一a m i n e r e a c t sw i t h e t h y lp r o p i o l a t e t o f o r ma ne l e c t r o n - r i c h i j - a m i n o a c r y l a t et h r o u g ht w oc o m p e t i t i v ec h a n n e l s ( c h a n n e l saa n db ) s e c o n d ，a n u c l e o p h i l i ca d d i t i o no f1 3 - a m i n o a c r y l a t et oa l l o x a no c c u r sv i af o u rp o s s i b l ec h a n n e l s ( c h a n n e l sbl ，b 2 ，b 3 a n db 4 ) t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h em o s t e n e r g e t i c a l l yf a v o r a b l ep a t hi sc h a n n e lb 4a n ds u g g e s t e dt h a tt h ew a t e rm o l e c u l e p l a y sa sap r o t o nt r a n s f e ri n t e r m e d i a t ei nt h er e a c t i o n o u rc a l c u l a t i o n sd e m o n s t r a t e d t h a tt h er e a c t i o no c c u r se a s i l ya tr o o mt e m p e r a t u r e ，w h i c ha g r e e sw e l lw i t ht h e e x p e r i m e n t t h es e c o n d t o p i c i s at h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n o ft h e s y n t h e s i s o f s p i r o o x a z i n o b a r b i t u r a t e f r o m a z i n e ，a c e t y l e n e a n d 1 , 3 一d i m e t h y l a l l o x a n ”t h e m u l t i c o m p o n e n tr e a c t i o n m e c h a n i s m so fp y r i d i n ea n dm e t h y lb u t 2 - y n o a t ew i t h 1 , 3 - d i m e t h y l a l l o x a n w e r es t u d i e d u s i n gd e n s i t y f u n c t i o n a l t h e o r y a tt h e b 3 l y p 6 31 g ( d ，p ) ( g a s - p h a s e ) a n db 3 l y p 6 - 311 + + g ( d ，p ) ( 1 i q u i d - p h a s e ) l e v e lo f t h e o r y , r e s p e c t i v e l y t h er e a c t i o nm e c h a n i s m sw e r ef o u n dt oc o n s i s to ft h r e es t e p s f i r s t ，an u c l e o p h i l i ca d d i t i o no fp y r i d i n et om e t h y lb u t 一2 - y n o a t eo c c u r s ，r e s u l t i n gi na z w i t t e r i o n i ci n t e r m e d i a t em 1 s e c o n d ，m 1r e a c t sw i t h1 , 3 一d i m e t h y l a l l x a nt oy i e l dt h e o t h e ri n t e r m e d i a t em 2 l a s t ，t h ep r o d u c to fs p i r o - o x a z i n o b a r b i t u r a t eg e n e r a t e sw i t ha n e wb o n df o r m t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h es u g g e s t e dr e a c t i o nc h a n n e li s a ne n e r g e t i c a l l yf a v o r a b l ep a t h t h er a t e l i m i t i n ge n e r g yb a r r i e rf o rt h er e a c t i o n i i a b s t r a c t c h a n n e l ，i nw h i c ht h es o l v a t i o ne f f e c t sw e r ec o n s i d e r e du s i n gp c m a si m p l e m e n t e d w i t ht h ed r yc h 2 c 1 2 ，i s18 0 2k c a l m 0 1 o u rc a l c u l a t i o n sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e r e a c t i o no c c u r se a s i l ya tr o o mt e m p e r a t u r e ，w h i c ha g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) ，m e c h a n i s m ，m u l t i c o m p o n e n tr e a c t i o n ， p r o p - 2 - e l l 一1 一a m i n e ，e t h y lp r o p i o l a t e ，a l l o x a n ，b a r b i t u r a t e ，p y r i d i n e ， m e t h y lb u t - 2 - y n o a t e ，1 , 3 一d i m e t h y l a l l x a n ，s p i r o - o x a z i n o b a r b i t u r a t e i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章前言1 1 1 巴比妥酸盐类化合物简述1 1 1 1 巴比妥酸盐类化合物的应用1 1 1 2 巴比妥酸盐类化合物的合成1 1 1 3 课题一的研究内容2 1 1 4 课题二的研究内容3 1 2 本论文的研究意义4 第二章量子化学简介5 2 1 量子化学发展简史5 2 2 量子化学的计算类别7 2 2 1 分子轨道法7 2 2 2 密度泛函理论1 2 2 3常用基组1 3 2 3 1 极小基组：1 4 2 - 3 2 劈裂价壳层( s v ) 基组1 5 2 3 3 极化和弥散基组1 6 2 3 4 机组的选择17 2 3 5 势能面1 9 i v 目录 第三章伯胺、丙炔酸酯和四氧嘧啶衍生物缩合生成巴比妥酸盐反应 机理的理论研究2 1 3 1 引言2 l 3 2 实验环境2 2 3 3计算细节2 2 3 4 结果与讨论2 2 3 4 1 r 1 和r 2 的反应一2 3 3 4 2p 1 和r 3 的反应2 6 3 4 3 结论3 5 第四章口丫嗪、炔和1 ，3 - z 甲基四氧嘧啶缩合生成螺旋状一嗯嗪类巴 比妥酸盐的理论研究3 6 4 1 引言3 6 4 2 实验环境3 8 4 3 计算细节3 8 4 4 结果和讨论3 8 4 4 1 气相条件下的反应路径3 9 4 4 2 液相条件下的反应路径4 2 4 4 3 结论4 5 参考文献4 6 个人简介及研究生期间发表的论文5 5 致谢5 6 v 第一章前言 第一章前言 1 1 巴比妥酸盐类化合物简述 1 1 1巴比妥酸盐类化合物的应用 巴比妥酸及其盐类化合物具有很高的药用价值，过去经常被用作药用镇静 剂、止痛剂、催眠药和麻醉剂等。如今，巴比妥酸盐类化合物有了更为广泛的 用途，不仅可用于工农业生产，还常用于化学反应用剂。 巴比妥酸盐类化合物在医学上的主要应用有：在新生儿出现各种缺氧缺血 症状时，大剂量的巴比妥酸盐可以保护脑细胞【l 5 】；巴比妥酸盐类化合物可以通 过降低脑血流量的方法起到预防脑水肿的疗效【6 1 0 1 ，具体的做法是通过降低脑中 氧的代谢率，减少了氧的供给量，产生了一个低温环境，进而控制病例基细胞 的反应；巴比妥酸盐类化合物是非常常用的静脉用麻醉剂，但单用巴比妥酸盐 做麻醉剂会加大改变血液的流动。而咪唑安定具有较强的麻醉和催眠功效，但 只对血液流动产生较小影响，而且咪唑安定还可以减少因气管插管所产生的压 力i l l j 。所以在麻醉诱导中，常把巴比妥酸盐和咪唑安定一起用作麻醉剂，这样 不仅可以减小对血液流动的影响，还可以减少对静脉的刺激【1 2 - ”】；巴比妥酸盐 类化合物可用作抗肿瘤、抗癌和抗骨质疏松类药物。 巴比妥酸盐类化合物在其它方面也有重要应用：巴比妥酸盐因具有较强的 荧光性质，可以用作分散染料；用作杀虫剂或杀真菌剂类的农药产品；电子照 相感光剂的电子生成剂；研究用非线性光学材料和核酸的染色鉴定开发；巴比 妥酸盐类化合物在化学转化上也是非常有用的，比如说用作有机氧化剂，也可 用于不对称二硫化物的合成；巴比妥酸类集团可用作含氮色素，像颜料黄1 3 9 ， 1 5 0 和1 8 5 ，这些被广泛应用于墨水、油漆和塑料的着色。 1 1 2巴比妥酸盐类化合物的合成 多元缩合反应因其产率高、反应过程简单和反应条件容易实施的特点，而 在化学中的有机合成领域占有非常重要的地位1 4 】。所以，诸如药物分析、有机 合成和材料科学等领域都非常关注新的多元反应的发现和发展。多元反应发展 的非常迅速【1 5 】。 第一章前言 有别传统的合成方法，多元反应可以通过一步反应完成多种复杂分子化合 物的反应，并且反应简单易行，原子利用率很高，选择性也很高【l6 | 。作为一步 完成反应的多元反应，产率非常的高，在很多领域多元反应与传统的两组分组 成的多步连续反应有根本的区别【1 7 】。在多元反应里，复杂的有机分子可以快速 的接近要发生反应的基团，这样的特点使得在药物研究领域多元反应可以高效 进行官能结构的鉴定和优化。 鉴于以上的诸多优点，在实验上经常会选择多元反应来合成巴比妥酸盐类 化合物。 1 1 3 课题一的研究内容 本文利用量子化学方法对伯胺、丙炔酸酯和四氧嘧啶衍生物在水溶液中的 经过一步反应合成巴比妥酸盐类化合物的反应机理进行了研究。依据有关文献 上的报道，对这个多元缩合反应的反应机理设计出了四条可能的反应通道，根 据计算结果比较四条反应通道的速控步能垒高低，得出最佳的反应通道。文献 报道伯胺l 、丙炔酸酯2 和四氧嘧啶衍生物3 在水溶液中生成巴比妥酸盐衍生物 4 的多元缩合反应和反应机理【。7 2 】如下图1 1 和1 2 所示： h 一一o o t - r 2 + 一。 。 兰掣，n 丫h r o l23 图1 1文献报道的伯胺l 、丙炔酸酯2 和四氧嘧啶衍生物3 在水溶液中生成巴比妥酸盐衍 生物4 的多元缩合反应 倒 r ，n 丫n 、r ” o 图1 2 文献报道的伯胺1 、丙炔酸酯2 和四氧嘧啶衍生物3 在水溶液中生成e l ：l ：妥酸盐衍 生物4 的多元缩合反应的反应机理 2 r 、n = o 4 n ， r c m h + 2 m r 第一章前言 1 1 4 课题二的研究内容 本课题利用量子化学方法选择吖嗪、活泼炔和1 ，3 一二甲基四氧嘧啶缩合反 应生成螺旋状一嗯嗪类巴比妥酸盐化合物作为研究对象，运用密度泛函的方法对 这一反应的反应机理进行详细的研究。依据有关文献上的报道，对这个多元缩 合反应机理设计出了一条可能的反应通道，分别在气相和液相条件下进行了计 算验证。根据液相条件下计算所得的速控步能垒数值，得出所设计的反应路径 与实验事实符合的很好。文献报道吖嗪1 、活泼炔2 和1 ，3 一二甲基四氧嘧啶3 缩 合反应生成螺旋状一嗯嗪类巴比妥酸盐化合物4 的多元缩合反应和反应机理【1 3 1 】 如下图1 3 和1 4 所示： 图1 3 文献报道的螺旋状一嗯嗪类巴比妥酸盐化合物4 的合成反应 图1 4 文献报道的由吖嗪l 、活泼炔2 和1 ，3 一二甲基四氧嘧啶3 缩合反应生成螺旋状一嗯嗪 类巴比妥酸盐化合物4 的反应机理 3 o ， c 斗 3 c 3 2 叫c c 2： c ，吒世、 一 霄 干n彳涨2固l - 0 ，j 万( ，) d r = n , 则有e o e 例( 这更像是d f t 中的变分原理) 。证明了以 基态密度为变量，将体系能量最小化之后就得到了基态能量。 h o h e n b e r g 和k o h n 在1 9 6 4 年极为简洁的证明了基态电子能量e o ，波函数 和所有其他分子的电子性质由基态的电子概率p o ( x ，y ，z ) 唯一确定【4 8 】。该定理 奠定并开创了一个崭新并在今天极为活跃的物理和计算化学的新领域，也使 k o l l n 赢得了1 9 9 8 年诺贝尔化学奖( 与p o p l e 分享) 。该性质的意义或可由与波 函数理论的比较而见其重要性。n 个电子体系的波函数有3 n 个坐标( 每个电子 三个坐标，若包括自旋，每个电子有四个坐标。) ，而电子h a m i l t o n i a n 算符仅包 1 2 第二章量子化学简介 括单电子和双电子空间项，因此分子的电子能量应可写作六个空间坐标的函数， 这样，多电子分子波函数对于体系的电子能量，是含有过多的信息了。而电子 密度为波函数的平方，对于n 一1 个电子坐标积分，所以仅有三个坐标，与体系 的电子数目无关。虽然一个体系的波函数的复杂性随体系的电子数目增加，而 电子密度却仍只有相同数目的数量，与体系大小无关。 h o h e n b e r g 和k o h n 虽然证明了不同的密度可产生不同的基态能量以及其他 的基态的分子性质，而不需要知道分子的波函数，但并没有告诉如何求得一个 体系的p 0 。k o h n 和s h a m1 9 6 5 年提出了一个得到p o 和由p o 计算e o 的实际方法， 文献中常称为k s 方法【4 9 】。k s 方法奠定了d f t 理论用于计算化学的重要基础。 在k o h n s h a md f t 的框架中，最难处理的多体问题( 由处在一个外部静电 势中的电子相互作用而产生的) 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势场以及电子问库仑相互作用的影 响，例如，交换和相关作用。处理交换相关作用是k sd f t 中的难点。目前并没 有精确求解交换相关能e x c 的方法。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( 均匀电子气的交换能 是可以精确求解的) ，而相关能部分则采用对自由电子气进行拟合的方法来处 理。 自1 9 7 0 年以来，密度泛函理论在固体物理学的计算中得到广泛的应用。在 多数情况下，与其他解决量子力学多体问题的方法相比，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，同时固态计算相比实验的费用要少。 近年来逐步在生物分子的计算中得到应用，但d f t 方法目前只能用于计算基态 分子，因为d f t 方法没有精确的e x c 解析表达式，所以严格的说，d f t 不能算 是从头算方法，但又因为没有经验参数，所以d f t 是介于从头算和半经验量子 化学计算之间但更接近于从头算的量子化学计算方法。 2 3 常用基组 在轨道近似下，体系的波函数是由态函数( 由一个或数个s l a t e r 行列式组成) 的线性组合而成。s l a t e r 行列式由一组“分子轨道 ( m o ) 构建而成，分子轨道 向原子轨道集合展开，即分子轨道由原子轨道线性组合而成( l c a o ) ，若对之 1 3 第二章量子化学简介 展开的基组是完备的，比步骤并未损失精度，所以，一般不把l c a o 称之为近 似。 在目前的量子化学的计算里，一般都用高斯型( g a u a a i a n ) 轨道的组合来表 示l c a o 中的原子轨道，在计算中组成某个原子的原子轨道的g a u a a i a n 函数的 数目和类型被称之为该原子的基函数，基函数的集合被称之为基组。 在量子化学中，基组用于描述体系波函数的若干具有一定性质的函数，基 组是量子化学从头计算的基础，在量子化学中有着非常重要的意义。基组的概 念最早始于原子轨道，随着量子化学的发展，现在量子化学中基组的概念已经 大大扩展，不局限于原子轨道的原始概念了。在量子化学计算中，根据体系的 不同，需要选择不同的基组，构成基组的函数越多，基组便越大，对计算的限 制就越小，计算的精度也越高，同时计算量也会随基组的增大而剧增。 电子结构计算的标准基组是用高斯函数的线性偶合来构造轨道的。高斯程 序提供了许多已定义好的基组( 如3 - 2 1 g ，6 3 1 g ) ，这些基组可以通过它们所包 含的基函数的数目和基函的类型来进行分类。基组给分子内的每一个原子分配 了一套基函数，从而用于模拟分子的轨道，这些基函数是由高斯函数线性偶合 而成的。这样的基函数称之为“收缩函数”，构成这些收缩函数的高斯函数我们 称之为“初始函数 。包含一个高斯函数的基函数被称为“未收缩函数”。除了使 用高斯给的基组外，我们也可以使用自定义的基组。 一般来说，基组的选择是有一定的规则可循的：l 、配位化合物的中心原子 应该加d 型极化函数；2 、相关能计算应该用较大的基组，包括较多的极化函数； 3 、对于阴离子等对电子束缚较弱的体系，应该采用添加弥散函数；4 、对于弱 相互作用体系，如包含氢键、弱分子间配合物、范德华相互作用等的体系，应 当添加弥散函数；5 、计算激发态时，应该选择使用大的基组，添加弥散函数。 2 3 1 极小基组 极小基组是最简单、计算消耗最小的基组。在极小基组计算里，任一原子 的每个内层和价轨道，都用一个s t o 来表示。如c h 3 0 h 分子，每个氢有一个 1 s 轨道，碳和氧原子都使用1 s ，2 s ，2 p x ，2 p y ，2 p z ，5 个s t o ，共有1 4 个s t o 。 所以该计算体系的基组大小是1 4 。 每一个s t o 由1 1 个g t o 表示。按计算速度和精度的不同要求，n 的数值可 从2 开始到更多。s t o 的优点是与真实轨道具有一一对应的关系，g t o 的优点 1 4 第二章量子化学简介 是便于积分，为了把s t o 、g t o 的优点结合起来，有人提出可以用几个固定的 g t o 拟合成一个s t o ，这就是使用非常广泛的s t o n g 。其中s t o 3 g 的应用 最广，它是量化计算中极小基的首选基组，常用于几何构型的优化，寻找反应 过渡态的试探计算以及较大体系的计算。例如，用s t o 3 g 基组计算c h 3 0 h ， 需用4 2 个g t o ( 3 木1 4 ) 。 2 3 2 劈裂价壳层( s v ) 基组 根据量子化学理论，基组越大，量子化学的计算精度就越高，当基组规模 趋于无穷大时，量子计算的结果也就逼近于真实值，为了提高量子化学计算的 精度，需要加大基组的规模，即增加基组中基函数的数量，其中一个增大基组 规模的方法是劈裂原子轨道法，即使用多于一个的基函数来表示一个原子轨道。 劈裂价键壳层基组就是应用上述方法构造的较大型基组，所谓劈裂价壳层 就是用两个或两个以上的基函数来表示价层电子的原子轨道。常见的劈裂价壳 层基组有3 - 2 1 g 、4 2 1 g 、4 3 1 g 、6 3 1 g 和6 3 1 1 g 等，在这些表示中d ：- - i t , 9 前的 数字用来表示构成内层电子的原子轨道的高斯型函数数目，“”以后的数字用来 表示构成价层电子的原子轨道的高斯型函数数目。如3 - 2 1 g 所代表基组的意义 是：每个内层电子轨道是由3 个高斯型函数线性组合而成，每个价层电子轨道 则会被劈裂成两个基函数，分别由2 个和1 个高斯型函数线性组合而成。例如， 我们还以c h 3 0 h 为例，在3 - 2 1 g 基组里，体系的基函数集合为： c ，o - l s ，2 s ，2 s ，2 p x ，2 p x ，2 p y ，2 p y ，2 p z ，2 p z 碳和氧的内层轨道( i s ) 由三个g t o 表示。所有的价壳层轨道劈裂为两个： 氢为1 s 和l s ，碳氧为 2 s ，2 p x ，2 p y , 2 p ：) 和 2 s ，2 p x ，2 p y ，2 p ：) ，第一组用两个 g t o 表示，第二组使用一个g t o ，此即基组名字3 - 2 1 g 的由来。可算出用3 - 2 1 g 基组计算c h 3 0 h 所需要的g t o 的数目( 4 2 ) 与s t o 3 g 时相同，但计算结果 却改进很多( 虽然在计算g a u s s i a n 积分时所需的时间差不多，但由于基函数数 目从1 4 增加到2 6 ，其他计算要增加很多时间) 。3 - 2 1 g 基组的参数涵盖元素周 期表上的h 到x e ，6 3 1 g 涵盖从h 到z n 。 1 5 第二章量子化学简介 2 3 3极化和弥散基组 在分子环境里，尤其是极性较强的分子里，为达到原子轨道上的电子的有 效重叠，电子分布往往会有相当大的偏移，为较好地描述这种体系，往往采取 在基组中对某些原子加上大于价电子的最大角量子数的轨道。如添加d 轨道给 重原子( 如c ，n ，s 等) ；添加f 轨道给过渡金属，添加p 轨道给h 原子，这 类轨道被称为极化轨道。例如，文献中最常见的6 - 3 1 g * ，此宰即表示这种基组对 第二周期的元素，加上一组d 轨道( 且每个d 轨道由一个g t o 表示) 。若取 6 - 3 1 g * * ，第二个掌表示h 和h e 上加p 轨道( 仅仅有一个g t o ) 。文献上加极化 函数还有另一种写法，6 - 3 1 g * 和6 - 3 1 g * * 分别写为6 - 3 1 g ( d ) 和6 3 1 g ( d ，p ) 。 c h 3 0 h 在6 3 1 g * 和6 3 1 g * * 基组里的基函数分别为 6 3 1 d c ，o ：l s ，2 s ，2 s ，2 p x ，2 p x ，2 p y ，2 p y ，2 p z 2 p z ，d x x d md 恐，d x y d 硒d y z 6 - 3 1 g + h ：1 s ，l s ，p x ，p y ，p z c ，o - l s ，2 s ，2 s ，2 p x ，2 p x ，2 p y ，2 p y ，2 p ：，2 p ：，d x x ，d y y ，d 琵，d x y ，d x ：，d y z 这些新引入的基函数虽然经过计算并没有电子分布，但是实际上会对内层 电子构成明显的影响，因而考虑了极化基函数的极化基组能够比劈裂价壳层基 组更真实地描述体系。所有的轨道对每一个轨道都有贡献，在计算过程中为了 减少计算量，选取了这样的近似：将贡献小的去掉。而在计算资源允许的情况 下，我们可以使用能更好的描述轨道的基函数，此时我们就可以考虑极化函数， 就是极化基组。 弥散基组是对劈裂价壳层基组的另一种扩大。在高斯函数中，变量0 【对函 数形态有极大的作用，当仅的取值很大时，函数的图像会向原点的方向弥散， 这种0 c 很大的高斯函数被称为弥散函数。在有些体系里，如带孤对电子的银离 子化学物，及由二聚体或多聚体形成的氢键化合物，在距原子核相当远的区域， 仍有不可忽略的电荷密度。为改善对这种体系的计算精度，常在已选定的基组 1 6 第二章量子化学简介 中加入相当弥散的函数，通过选取足够小的轨道指数，使得函数足够弥散( 弥 散函数的轨道指数典型在0 0 1 到o 1 的范围) 。弥散函数是s 型函数和p 型函数 的扩大版，允许轨道占据更大的空间，对于有弱相互作用存在的体系( 如吸附， 氢键等) 、有孤电子对的体系、负离子体系、共扼体系和激发态体系必须采用弥 散函数，如不用弥散函数分子的结构不能得到很好的描述。弥散函数的标示方 法是在原始的基组标示上“+ ”。如3 - 2 1 + g ，表示体系的每一非氢原子上加上四 个高弥散函数( s ，p x ，p v ，p z ) 。若再加上一个“+ ”，若6 - 3 i + + g * * ，氢上还有再加 一个高弥散的s 函数。 如对c h 3 0 h ，基组为 h ：1 s ，1 s ，p x ，p y ，p z ，s c ，o ：l s ，2 s ，2 s ，2 p x ，2 p x ，2 p y ，2 p y ，2 p z ，2 p ：，d x x d y y ，d 恐，d x y ，d 。：，d y z ， s tp x , p y , p z 基函数的数目为6 2 ( 4 木6 ( h ) + 2 1 9 ( c ，o ) ) 。由6 3 1 g 的2 6 到6 2 ，额外 需要的计算时间是极为可观的。不过根据计算结果，h 上是否添加弥散函数对计 算精度的影响并不大。 2 3 4 机组的选择 基函数的选择应该依据体系中不同原子的性质及实际的化学环境，具体如 下： 1 描述一般体系时可以根据该原子在元素周期表的位置，按照从左到右的 次序依次增加基函数的用量。 2 对于核负电原子，应该使用更多的基函数以及选择适当的极化函数或弥 散函数；而对于核正电原子，基函数用量可适当减少。 3 对正常的饱和共价键原子不需要增加极化或弥散函数，而对于有氢键、 弱相互作用存在的体系和官能团、零价或低价态金属原子等敏感体系，需要增 加极化或弥散函数。这样就可以用适中的基组和可承受的计算量计算得到相当 可靠的计算结果。 在g a u s s i a n 中有关的关键字是e x t r a b a s i s 和g e n 。二者都是在r o u t es e c t i o n 指定基组的基础上，再加上附加的基函数。不同的是g e n 可以自己定义基组。 1 7 第二章量子化学简介 实际上可并不那么简单。下面是一个使用e x t r a b a s i s 的例子： j f i h f 3 21ge x t r a b a s i s a g c l m o l e c u l es p e c i f i c a t i o n c lo 6 3 1 1 g ( d ，p ) 幸誊枣木 这里对分子中所有的原子都使用3 - 2 1 g ，但是对c l 原子使用更大的基组 6 - 3 1 1 g ( d ，p ) 。 如果计算过程中报错，一般是由于下面两点原因造成的： l 、并不是所有的基组都可以用( 哪些基组适用于哪些原子需要去参考帮助 文件) ，即使是分别适用于不同原子的各个基组，放在一起也不一定就行，可能 有匹配或收敛的问题。所以需要反复多试。 2 、基组设置的顺序问题。还是看上面的例子，r o u t es e c t i o n 一行中设置的基 组，应当适用于该分子中所有的原子( 一般来说是小一些的，虽然在计算中并 不对所有出现的原子都使用这个基组) ，而在分子坐标下面的基组只要对所定义 的原子适用就可以了( 一般来说是大一些的基组) 。比如，如果把上面的输入变 成： 撑h f 6 - 311g ( d , p ) e x t r a b a s i s a g c l m o l e c u l es p e c i f i c a t i o n a g 0 3 2 1 g 木木木：i c 虽然都是对a g 原子用3 - 2 1 g 基组，对c 1 原子用6 - 3 1 1 g ( d ，p ) 基组，但是可 能会报错。当然实际情况并不总是如此，换个分子，基组哪个在前哪个在后可 能并没有关系，但是注意基组顺序确实可以防止出错。 1 8 第二章量子化学简介 2 3 5 势能面 寻找平衡构型仅是一种静态的研究。对化学家来说，更感兴趣的则是化学 反应过程中所包含的反应起始物的状态、反应中间体、反应过渡态以及生成物， 都是关注的内容。一个化学反应的反应过程究竟是一步完成的还是分多步进行 的，是我们更需要了解的内容。虽然当前的实验技术水平有了很大的提高，各 种波谱原位测定可以得到反应物和生成物的一些信息，但对于处于亚稳定状态 的反应中间体、过渡态等寿命很短的物质，仪器是很难测得它们的信息的。对 它们没有一定了解，就很难真正了解一个化学反应的反应过程与反应途径。所 以预测反应的过渡态、中间体进而预测出化学反应的反应途径是理论化学的重 要任务之一。这方面的工作可通过势能面研究来实现。 我们由三个原子系统的势能面来引入我们势能面的概念，分析原子a 与双 原子b c 沿b c 连线方向碰撞生成分子a b 和原子c 的过程： a + b c a b c 一 a b c 】一a b c a b + c 上述过程实质是随a ，b ，c 间距离的改变，碰撞动能逐渐变为原子间势能， 反应后又逐渐变为动能的过程。若a ，b ，c 在同一条直线上，则势能e 可表示 为r a b ，r b c 的函数： e = f ( r a b ，r b c ) 将函数做成立体图，即得到一个曲面，称为势能面( 如图2 2 所示) 。 图2 2 势能面的三维图 1 9 第二章量子化学简介 对于由n 个原子组成的非线性分子体系，分子振动有3 n 6 个自由度，构成 3 n 5 维势能面，即反应物、中间体、过渡态和生成物均在这3 n 5 维的能量曲面 上。我们若能了解这个曲面，则可以了解反应中的一切细节。传统做法是在3 n 6 个反应坐标上，取成千上万个点，逐点计算每个点的势能，再把这些势能点连 起来就得到一个势能面，其工作量之大是可想而知的。 其实我们最关心的只是曲线上的一些特殊点，如图2 2 所示，用数学语言来 描述，我们想了解的是“驻点 ，即曲面上能量对该坐标一阶微商为零处的点。 a 7 = 0 ，( i = 1 ，2 ，3 n 一6 ) 式中，r i 是n 个原子组成的分子体系的3 n 6 个内坐标之一。 根据势能二阶导数的性质，可将驻点分为以下三类： 1 对所有的坐标尝 0 ，局域能量极小，对应反应物、生成物等的平衡构 ( 型。 2 对于所有的坐标窑 0 ，局域能量极大，对化学反应无特殊意义。 o q i 3 铲个方向筹 = o n t 芦 + o 000h + hn工 - h c h c h = ch 第三章伯胺、丙炔酸酯和四氧嘧啶衍生物缩合生成巴比妥酸盐反应机理的理论研究 图3 1 所示) 。通过用密度泛函的方法对巴比妥酸盐的合成反应的机理进行详细 的理论研究【7 3 - 8 3 1 。 3 2 实验环境 硬件环境：x 8 6 服务器l i n u x5 3 操作系统 软件环境：g a u s s i a n0 3 ( u n i x 版)g a u s s i a n ，i n c g a u s s v i e w3 0 9 g a u s s i a n ，i n c 3 3 计算细节 在计算初始，先用低基组计算来预测反应的机理，即采用p m 3 方法来进行 初步的试探计算，先计算出猜想的中间体，如果计算结果证明中间体存在的话， 就再使用o p t = q s t 2 来进行过渡态结构的计算，以此来确定自己猜测的中间体的 正确性。然后把低基组下找好的结构直接升高基组计算，即使用 b 3 l y p 6 3 1 1 + + g ( d ，p ) 【棒蚓水平优化低基组下的反应物、过渡态、中间体和产物， 反应物、中间体和产物使用关键词o p t + f r e q 来计算，过渡态使用关键词o p t ( c a l c f c ， t s ，n o e i g e n ) 来计算，并用内窠反应坐标( m c ) t 9 1 - 9 2 对计算出的过渡态的构型加以 验证，以确认所找到的过渡态正确连接了过渡态前后的反应物和产物。通过 b 3 l y p 6 3 11 + + g ( d ，p ) 水平下的自然键轨道( n b 0 ) 【9 3 _ 9 4 】分析可以对化合物的电子 性质进行研究。为了更详尽准确的研究反应机理，我们不仅单纯考虑气相下的 情况，还要考虑水溶液的溶剂效应对反应的影响。于是，在b 3 l y p 6 3 1 1 + + g ( d ， p ) 【9 5 - 9 6 水平下，在水溶液存在的环境中选用自洽等密度p c m 9 7 - 9 9 模型对气相下 优化好的结构再进行考虑了溶剂效应的结构优化和频率计算。进而得到更有信 服度的计算结果来验证我们的猜想机理。文