（应用化学专业论文）嘧啶和三唑类含氮杂环化合物结构与性质关系研究.pdf

摘要 含氮杂环化合物在农药、医药、染料等精细化工领域中有着广泛 的应用，一直以来是人们研究的热点。为了进一步探寻此类化合物结 构和性质之间的关系，本文以嘧啶和三唑衍生物两大类，共计1 7 种含 氮杂环化合物为对象，运用g a u s s i a n 0 3 程序，在6 3 1 1 g 、6 3 11 的 基组水平上用h f 、d f t b 3 l y p 和s c r f 方法对其进行了量子化学研究。 对这些化合物的几何构型进行了优化，得到了键长、键角、二面角、 原子净电荷等优化几何参数以及分子轨道能量参数。根据优化结果分 析了化合物的结构特点以及结构和活性之间的关系。计算了化合物的 红外光谱性质，并且将红外光谱的计算数据和实验数据做了比较。 通过对三唑酮和嘧啶胺衍生物的理论计算分析，得到了化合物的 稳定构型，选取了正确的量子化学研究方法，为在此类化合物的基础 上合成新的嘧啶和三唑衍生物提供了理论指导。 对甲酰基硫脲类嘧啶和三唑衍生物进行量子化学分析的结果表 明：( 1 ) 化合物的活陡基团与生物活性之间有着密切的关系；( 2 ) 计算 结果与实验结果相吻台，很好的反映了甲酰基硫脲类嘧啶衍生物化合物 结构一涪| 生关系。( 3 ) 为新型酰基硫脲类化合物的合成和筛选提供了理论 指导，并且为此类化合物结构与活性关系的理论研究提供了可行的量子 化学方法。 关键词：含氮杂环化合物嘧啶三唑硫脲结构一性质关系 理论研究量子化学方法 s t u d yo nt h es t r u t u r e - p r o p e r t yr e l a t i o n s h i po ft h et r i a z o l a n d p y r i m i d y lh e t r o c y c l i cc o m p o u n d s i nt h ef i e l d so ff i n ec h e m i c a l s ，s u c ha sp e s t i c i d e ，m e d i c i n e ，d y e s t u f f e t c ，h e t r o c y c l i cc o m p o u n d sc o n t a i n i n gn i t r o g e np l a ya ni m p o r t a n tr o l e ， a n dh a v eb e e nt h ef o c u so ft h er e s e a r c hf o rm a n yy e a r s i no r d e rt o i n v e s t i g a t et h es t m c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i po ft h e s ec o m p o u n d s ，t w o s p e c i e s ，1 7h e t r o c y c l i cc o m p o u n d sc o n t a i n i n gn i t r o g e nw e r ec h o s e na s t h eo b i e c t st ob es t u d i e dw i t hh f 、d f t - b 3 l y pa n ds c r fm e t h o d si n g a u s s i a n 0 3p a c k a g ea tl e v e l so f6 3 1 1 ga n d6 3 1 1 g 2s e t s t h e c o m p o u n d s s t r u c t u r e sa r eo p t i m i z e d d a t ao ft h eb o n dd i s t a n c e ，b o n d a n g l e ，d i h e d r a la n g l e ，a t o m i cn e tc h a r g e ，a n dt h e o r b i t a le n e r g yw e r e o b t a i n e d t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r sa n ds 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 s w e r ea n a l y z e da 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 s i rs p e c t r u m so ft h e c o m p o u n d sw e r ea l s oc a l c u l a t e dt ob ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i so nt l l ed e r i v a t i v e so ft h et r i a z o l o n e a n dp y r i m i d y la m i n e ，t h e i rs t a b l es t r u c t u r e sw e r eo b t a i n e d 。p r o p e r q u a n t u mm e t h o d su s e dt oc a l c u l a t et h ec o m p o u n d sw e r ec h o s e n t h e s t u d yp r o v i d e st h e o r e t i c a ld i r e c t i o n sf o rt h es y n t h e s i so fn e wc o m p o u n d s b a s e do nt h e s ed e r i v a t i v e so ft h et r i a z o l o n ea n dp y r i m i d y la m i n e t h eq u a n t u mc h e m i s t r ys t u d yo nt h en - ( s u b s t i t u t e dp y r i m i d i n 一2 一y 1 ) n s u b s t i t u t e df o r m y lt h i o u r e a sa n dt h et h i o u r e ad e r i v a t i v e so f1 , 2 4 t r i a z 0 1 5 o n e ( t h i o n e ) s h o w s ：( 1 ) t h e r ei sc l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a c t i v eg r o u p so ft h ec o m p o u n d sa n dt h e i ra c t i v i t i e s ；( 2 ) t h ec a l c u l a t e d r e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e s ，w h i c hr e f l e c t t h es 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 pv e r yw e l l ；( 3 ) t h es t u d yp r o v i d e dt h e t h e o r e t i c a lb a c k g r o u n da n da p p r o p r i a t eq u a n t u m c h e m i c a lm e t h o df o rt h e d e s i g no fn e wb a c t e r i c i d e s k e yw o r d s ：h e t r o c y c l i cc o m p o u n d sc o n t a i n i n gn i t r o g e n ，p y r i m i d e t r i a z o l e ，t h i o u r e a s ，s 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 ，t h e o r e t i c a ls t u d y ， q u a n t u mc h e m i s t r ym e t h o d w a n gh u a l i ( a p p l i e dc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f s o n gj i r o n g 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名： 年月日年月日 西北大学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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它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： 年月日 第一章前言 1 1 三唑类化合物研究及应用进展 1 1 1 三唑类化合物在农药方面的研究和应用 三唑类化合物是一类具有广泛生物活性的杂环化合物。特别是近几十年，以 来以三唑酮、三唑醇为代表的三唑类杀菌剂以其高效、低毒、内吸等优点为农业 保收增产发挥了重要作用。新型三唑类化合物的开发与研究己成为农药研究的一 个重要领域。 据文献报道【l j ，第一个开发成功的三唑杀虫剂是1 9 7 0 年德国郝斯特公司投入 商品化的三唑磷( t r i a z o p h o s ) ，另外商品化的代表品种有i s o z o f o s ( 1 9 7 3 年，诺华公 司) 和r h - 7 9 8 8 ( 唑蚜威，1 9 8 8 年，罗姆哈斯) 、咪唑烷杀虫剂、吡虫啉( 德国拜耳) 。 1 9 9 8 年德国拜耳公司开发出具有杀虫兼除草活性的稠杂环并三唑化合物： 继1 9 7 6 年德国拜耳公司开发成功三唑酮以来，截止目前已报道的三唑类杀 菌剂数以万计，其发展之快，数量之多，是以往任何杀菌剂所不能比拟的。近年 来更是通过化学结构变化，衍生出不同功能、高效、用量少、适应范围广、作用 机制新颖和环境友好的新活性物质【1 。2 l 。此类杀菌剂为含氮杂环化合物，只要用 几十个p p m 浓度的药液，对白粉病即能奏效。它们对麦角甾醇生物合成的某些 过程分别有着各种不同的抑制作用纠。多数三唑类杀菌剂具有如下活性特点【 ： 1 、强内吸性；2 、广谱性；3 、长效；4 、高效：5 、立体性选择；6 、共同的作用 机制。 在现有的众多杂环化物中，1 ，2 ，4 - 三唑类衍生物由于其广谱的生物活性及广 阔的应用前景一直颇受人们青睐。例如在医药领域中，有很大一类抗真菌药就是 三唑类衍生物，而在农用化学品中，以粉锈宁为代表的三唑类杀菌剂更是众所周 知的优秀品种。据专家预测，在未来的五年中，全球农药市场销售额将保持每年 1 4 的增长速度，到2 0 0 2 年世界农药销售额有望达到3 3 2 2 亿美元。在除草剂、 杀虫剂、杀菌剂和植物增长调节剂等几大类农药中，除草剂生产一直呈现上升趋 势，其销售额占农药总销售额的比例在1 9 6 0 年仅为2 0 ，1 9 9 0 年则增至“。 总之，近二十多年来，三唑类化合物已经被开发成为一类引人注目的超高效 农药。现报道的三唑类活性化合物主要有n 一取代1 ，2 ，4 一三唑类，其中已有三十多 个已经商业化的品种，至今仍是研究的热点。目前的研究工作集中在三个方面： 一，以现有三唑类化物为模块，研究它们的构效关系，并对其进行结构改造和优 化，得到更高活性的品种；二，立体有择合成活性化合物，由于受体的空间立体 化学特性，不同的立体异构化合物的三唑化合物的活性有很大的差别，几何异构 化合物间的转化和立体有择合成是高活性化合物合成的捷径；三，计算机辅助分 子设计合成三唑类药物。对多效三唑类化合物进行构效研究，利用计算机图像模 拟技术设计出具有高生物活性的化合物。 1 1 2 三唑类化合物在信息材料方面的研究和应用 分子材料的研究是近年最引人注目的一类前沿课题【“。美、英、法等国均将 此研究列入各自的高技术发展规划，1 9 9 5 年日本也已将分子材料确定为基础科 学先导研究的七项课题之一而予以重点资助。我国也不例外，国家自然科学基金 九五重点资助以游效曾院士主持的南京大学和南开大学联合小组在此领域的研 究。分子材料是指由分子及不同的组装方式来制备具有特定功能性质的宏观物 质。这类配合物兼有无机化合物和有机化合物的特性，由于其组成的复杂性、金 属和配体种类的多样性、配位环境的可调性，使之成为分子材料中最具有潜在应 用前景的一类体系。近年国外已集此类研究为一门生物、材料、化学交叉的学科， 称之为金属配合物材料化学。其中，实现以单个分子或分子集合体作为新的光开 关和信息存贮元件是分子材料研究的一个挑战性课题，国际上称之为“分子电子 学”。 在化学体系中，可作为此类器件材料的一个重要条件是组成该材料的化合物 的分子存在两种不同的稳定( 或准稳定) 态，这些分子在一个适当可控的外界微 扰下( 如光、热、压力) 会导致两种状态的互变，从而实现开关和信息存储功能， 在分子化学中，自旋转换配合物( 也称为自旋交叉配合物) 可望成为实现此目标 的理想体系。能用于信息存储的配合物必须具备如下条件： 1 、无论以升温方式或者降温方式变化温度时，自旋转换必须是突跃式的， 它必须发生在小于5 k 的范围内，否则不会产生清晰的信息。 2 、自旋转换必须出现滞后现象。因为记忆效应的范围取决于滞回宽度正f 一五 ，其中正指在自旋转换现象中，高自旋分子的摩尔数与低自旋分子的摩尔 数相等时的温度，称为转变温度。正f 指以升温方式时的转变温度，五i 指以降 温方式的转变温度。从实用角度来看，滞回宽度在5 0 k 左右为宜。 3 、正f 和互 必须尽可能接近分子器件运转时的温度( 室湿) ，否则分子信 息存储器中还必须安装附加的小加热器或冷却器。 4 、自旋转换必须伴随明显的颜色变化，即低自旋配合物和高自旋配合物有 不同的颜色，这样才能使信息的读入成为可能。 5 、自旋转换配合物在使用时必须是稳定的，而且不污染环境。 人们研究了大量有突变自旋转换的配合物，但滞后现象都不明显，最近的研 究发现有滞后现象的配合物主要是含桥基配体的自旋转换配合物。1 ，2 ，4 一三唑可 以在l ，2 或2 ，4 位置的n 原子与自旋转换离子桥联；取代的三唑可在1 ，2 位 置的n 原子上桥联，故三唑类是近年来集中研究并可望在应用上有突破的一类研 究体系。r e e d i j k 等”3 报道了 f e 。( e t t r z ) 。( h 。o ) 。 ”的线性三核配合物( e t t r z ： 4 一乙基一l ，2 ，4 一三唑) ，两端_ f e “离子为高自旋态，而中心f e “离子在五= 2 1 0 k 发 生自旋转换并伴随有颜色的变化，由低自旋态的紫色变为高自旋的白色。德国学 者h a a s n o o t 等嘲设计合成了配合物 f e ( t r z ) ( h t r z ) 。 b f 4 ( t r z ：1 ，2 ，4 一三唑， h t r z ：l h 一1 ，2 ，4 - 三唑) ，此配合物以如热和冷却方式变温时，都有突跃式的自旋 转换行为，低自旋配合物是紫色，而高自旋配合物是白色，该配合物已被用于研 制一系列显示材料。我国游效曾院士报道合成了十几个新的芳香醛缩三唑的 s c h i f f 碱，并以其为配体研制出几十个预期有自旋交叉行为的新的配合物。经 调节f e ”离子的配位环境和配位场强度，筛选出多个自旋转换温度高于液氮并具 有热致变色现象的自旋交叉型配合物，其中有些伴有滞后现象。 1 1 3 在其他方面的应用 南开大学杨光明等 9 1 0 1 研究了一系列含有4 氨基1 ，2 ，4 三唑( a t z ) 功能基 的螯合树脂的合成和吸附性能，发现这类树脂对贵金属都有良好的吸附选择性， 其吸附机理主要是由于三唑的配位作用，张若平等报道s 三唑类化合物用作 光稳定剂和防灰雾剂，它除了改善曲线反差之外还具有较好的稳定作用。 1 2 嘧啶类化合物研究及应用进展 咿o 啦n h z 。邺奄o 。 h 2 n o 妣洲占 l 4 臼，英，法等3 0 多个国家上市。临床用于治疗原法性肾性高血压，嗜铬细胞瘤 和心力衰竭。 o 眦邺峪忙c k o i u r a p i d i l 盐酸特拉唑嚎( t e r a z o s i ah y d r o c h l o r i d ed i h y d r a t e ) 是美国a b o r t 公司上市的 选择性q 一肾上腺素能受体阻滞剂，用于治疗高血压和前列腺增生症。 厂- 目，0 、h c l l 吒u t e r a z o s i nh y d r o c h l o r i d ed i h y d r a t e 总之，嘧啶化合物在近年来药物的研究开发中是一大热点。许多科学工作者 报道了一些具有良好疗效的嘧啶类化合物。如：西班牙科学家c o u i s 等【1 2 】合成的 化合物可用作治疗包括前列腺增生症的许多功能性紊乱病症；1 9 9 8 年 m e r c e v i d a l 等人【1 习申请的专利化合物可用作止吐剂；h ex i a o s h u 等【1 4 】报道的嘧 啶化合物可用作多巴胺d 4 试剂。 1 2 2 嘧啶类化合物在农药领域的开发和应用研究 瑞士汽巴嘉基公司1 4 1 1 9 5 2 年首先开发了含嘧啶环的有机磷杀虫剂一二嗪磷 ( d i a z i n o n ) 。1 9 6 8 年英国h 内门化学公司【4 开发了两个含嘧啶环的内吸性杀菌剂 甲菌定( d i m e t h i r i m 0 1 ) 和乙菌定( e t h i r i m 0 1 ) ，它们都是专治白粉病的高效、长 效和内吸性的杀菌剂。乙菌定主要用来防治谷物白粉病菌株。 近年来不断开发出的具有高效性含嘧碇环的新农药主要包括： 1 、嘧啶醚类化合物：这类化合物是继超高效磺酰除草剂之后的又一类胰腺 乳酸合成的酶抻制剂，其结构式可表示为： n 。“ p 。弋。 x = o ，s n h 2 、嘧啶磺酰胺类。如日本是原产业公司研制开发出的用作草坪和番茄除草 剂的化合物： o m e n h o m o 3 、嘧啶胺类化合物：1 9 9 2 年先灵农业化学品公司开发的p y r i m e t h a n i l 对灰葡 萄孢所有生理小种均有很高的防效。1 9 9 4 年汽巴，嘉基公司开发的c y p r o d i n i l 对 灰霉病、白粉病、黑星病、网斑病、颖枯病、以及交链孢、丛梗孢菌引起的病害 均有很高的防效。1 9 9 7 年两种新的嘧啶胺类杀菌剂p y r i m e t h a n i l 和c y p r o d i n i l 相 继问世。另外，日本组合公司( 1 9 9 0 ) 的嘧菌胺( m e p a n i p y r i m ) 也已经投入生 产【1 ”。这几种新的嘧啶胺类杀菌剂对灰葡萄孢所致的各种病害有特效。如：嘧菌胺在 1 肛g l 】1 l 剂量下对灰霉病的防效超过9 0 ，但在1 0 0g m l 的浓度下很难抑 h n p y r i m e t h a n i l c y p r o d l n i l m e p a n i p y r i m 制孢子的萌发，甚至在3 0 0 mg m l 的剂量下也不能抑制菌丝的生长，且它与已有 的杀菌剂之间没有交互抗性这说明它们可能有新的作用机制。 1 3 对此类化合物进行量子化学研究的意义 随着高科技的不断发展，含氮杂环化合物在医药、农药、染料等精细化工领 域中的应用日益广泛。尤其近几十年来，此类化合物在农药领域的应用引起了国 内外的普通重视。含氮杂环农药具有选择性好、活性高、用量少、毒性低特点， 因此近十年以来，含氮杂环农药的研究、开发、利用非常活跃，为原有的杀虫剂、 杀菌剂、除草剂和植物生长调节剂注入了新的活力_ 。其中以三唑和嘧啶类含氮杂 环化合物最为令人关注。 农药分子的化学结构与其生物活性之间的关系是一个非常值得重视的问 题。因为如果了解这种关系并掌握它们的规律性，人们就可以有目的地预测设计 气丫 ) i n h n 和合成某些有效的新品种，从而减少研究工作中的盲目性，并可节省时间、人力 及财力1 。 近年来，更为广谱、高效的，杂环取代硫脲类杀菌剂在农药创新中占据了主 流，尤其是以嘧啶类、三唑酮类及噻唑类这些本身具有杀菌活性的氮杂环取代硫 骤类化合物为主，硫脲化合物由于结构中存在不同的取代的肽键，不仅具有广谱 的抗菌性能，还具有极好的生物活性。但关于此类化合物的活性机理到目前还没 有清晰完整的理论依据。采用量子化学方法，进一步研究这类化合物活性与结构、 生成热、总能量、分子轨道能级差以及电子结构等的关系，对于进一步探讨此类 化合物的活性机理、筛选新型高效的农药具有很重要的意义。 1 4 本文的工作 x x x x = c i q 3 ，o c b x = c h 3 ，o ，o hy = n h 2 ，h y = o c h 3 。, o c h 2 c h 3 ，o c h ( c m ) 2 ( i )( i i ) 多 。f f ln h n c n h c y “、 x ；0 s y = 0 c h 3 ，0 c h 2 c h 3 ，o c h ( c h 3 ) 2 ( i v ) 图1 - 1 1 7 种氮杂环化合物的分子结构 f i g 1 - 1m o l e c u l a rs t r u c t u r e so ft h e1 7h e t e r o c y c l i cn i t r o g e nc o m p o u n d s 杂环化合物是为数最多的有机化合物，目前已有数百万种，每年还有数千种 新化合物被合成。这数目庞大的杂环化合物犹如储藏在大仓库中的宝物，随时等 待人们取用。杂环化合物在应用前景上是广阔无限的，尤其是在医药、农药、染 料等领域有着广泛应用的嘧啶与三唑类含氮杂环化合物更是受到人们的特别关 注。为了研究此类化合物的活性机理，探寻具有新功效的嘧啶与三唑类含氮杂环 一 。i i cm s i i 一一 。 意 弋 化合物，本文采用量子化学中的从头计算和密度泛函方法，选取了1 7 种氮杂环 化合物( 如图卜1 ) 作为研究对象，对其进行量子化学计算，根据计算结果和实 验结果进行分析讨论。 第二章计算化学理论和计算方法 2 1 计算化学理论 计算化学的方法主要有分子力学理论( m o l e c u l a rm e c h a n i c s ) 方法和电子结构 理论( e l e c t r o n i cs t r u c t u r et h e o r y ) 方法。两者的共同点是： 1 、计算分子的能量，分子的性质可以根据能量按照一定的方法得到。 2 、进行几何优化，在起始结构的附近寻找具有最低的能量的结构。几何优化 是根据能量的一阶导数进行的。 3 、计算分子内运动的频率。计算依据是能量的二阶导数。 2 1 1 分子力学理论方法 分子力学理论采用经典物理对分子进行处理，它假设分子是由原子组成，孤 立分子或相互作用的体系的势能函数是分子或体系中的原子位置的函数。分子力 学将分子或体系作为在势能面上运动的力学体系来处理，分子力学由于只考虑分 子中化学键的伸缩、弯曲和二面角的变化等，建立分子力场公式计算分子内部或 分子间的各种相互作用。由于计算公式中采用大量的经验参数，因此大大简化了 计算过程。建立在分子力学理论基础上的计算软件主要有m m 3 ，h y p e r c h e m ， q u a n t a ，s y b y l ，a l c h e m y 等。 为了简单地描述由原子组成的分子体系的非键或价键的相互作用，通常将分 子的势能函数分解成键伸缩能e 。、键弯曲能e 。、二面角扭曲能e 范德华作用能 e 。和静电作用能e 。- 。等项，总能量e 。可表示为： e 1 = e 。十e b + e 。+ e ，d 。+ e 。l 。 ( 2 - 1 ) 对于更精确的力场，在式中可以加入一些交叉项，如健伸缩一键弯曲振动项、 二面角扭曲一键伸缩交叉项等，也可加入氢键函数项等其他修正项。 一套势能函数，通常也叫力场，是由一系列可调参数组成的。对可调参数进 行优化，是其计算值与分子的各种性质( 分子的几何构型、键长、键角、生成热 等) 的最佳拟合，获得一套力场的优化参数，再用这些参数去预测其他分子的结 构和性质，这一过程称为力场的参数化。比较常用的力场有：a l i n g e r 的m m 2 和m m 3 力场；k o l l m a n 的a m b e r 力场；c v f f 力场。 与量子力学不同，分子力学求解的是经典力学方程，即牛顿方程，不是薛定 9 鄂方程，所以分子力学方法能获得分子的平衡结构、振动光谱、热力学性质等， 不能求得体系与电子结构体系有关的性质。分子力学理论计算方法耗时很少，可 以计算多达几千个原子的体系。其缺点是： 1 、每一系列参数都是针对特定原子得出的。没有对于原子各个状态的统参 数。 2 、计算中忽略了电子，只考虑键和原子，自然就不能处理有很强电子效应的体 系，比如不能描述键的断裂。 2 1 2 量子化学理论方法 量子化学是应用量子力学基本理论和方法讨论化学问题的化学分支学科。量 子化学的核心问题是分子的量子力学，即用量子力学的方法来研究原子和分子的 电子结构，从而进一步研究原子和分子的性质。当前流行的量子化学研究方法主 要有从头计算方法( a b i 口i r i o ) 、密度泛函理论( d f r ) 方法与自洽反应场( s c r f ) 方法。 一、从头计算方法( 的i n i t i o ) 研究分子的电子结构的理论主要有三个，即价键理论、分子轨道理论和配位 场理论。其中应用最为广泛的是分子轨道理论。 分子轨道法主要有两大类，即简单分子轨道法和自洽场( s c f ) 分子轨道法。 简单分子轨道法主要包括只处理h 体系的h m o 法和推广到处理全部价电子的e h m o 法。这类方法的主要特征是不直接处理电子排斥，单电子算符不含电子排斥项。 s c f 法也采用轨道近似法，同样要引入单电子算符。这种单电子算符中含有电子 排斥项，需要用叠代法求解。 在量子化学计算“”中，不论是采用何种方法，其核心问题都是求解 s c h r o d i n g e r 方程，得到能量e 和波函数掣，从而求得分子的电子结构。 h a p = b 山 ( 2 2 ) 式中：茸为体系的h a m i l t o n 算符( 能量算符) ；印为描述体系状态的波函数；e 为算符的本征值，即体系相应的总能量。 对一个多电子分子，日应包含所有原子核和所有电子的动能、势能项。其表 黼式狂；每：一争孤h 2v 2 一；若+ 蓦去+ 荟簿z 2 2 ( 2 渤 1 0 式中包括五项，依次为：所有原子核的动能，所有电子的动能，核对电子的吸引 能，电子之间的排斥能，核核之间的排斥能。下标p ，口表示原子核；i ，j 表示电 子，m 。为第p 个电子的质量。 由于在求解定态s c h r o d i n g e r 方程时遇到了数学上无法逾越的困难，分子轨道 法在物理模型上采用了三个基本近似：( 1 ) 非相对论近似；( 2 ) b o r n o p p e n h e i m e r 近似；( 3 ) 轨道近似。 采用非相对论近似后，认为电子质量m = m 。( 电子静止) ；采用 b o r n o p p e n h e i m e r 近似后，将描述电子在固定核场中运动的定, 态, s c h r o d i n g e r 方程 单独分离出来，有 抒中= e 。邛 ( 2 4 ) 式中叩只是与所有电子坐标有关的波函数，e 为电子的总能量，茸为电子总的 h a m i l t o n 算符。在采用非相对论近似和b o r n o p p e n h e i m e r 近似，并采用原子单位 制后，日的表达式为： 西= 一军争i 一善卺+ 荟吉= 罩c 一扣；一；吾，+ 善毒 2 5 ) 4 罩蠡( 1 ) + 荔毒 ( 2 6 ) 式中h “) 称为单电子h a m i l t o n 算符，它是电子动能算符和单电子位能算符之和。 分子轨道论的前两个近似都是旨在最大可能简化h a m i l t o n 算符。轨道近似的目的 则是寻求分子波函数的一种合理的、简洁的表达形式。采用前两个近似后，简化 的电子总h 锄i l t o n 算符含有1 b 项，由于测不准关系不可能有确定值。为绕过这 一团难，引入了轨道近似。轨道近似的要点是：将电子闯的库仑排斥作用平均化， 每个电子均视为在库仑场及其它电子作用的势能藏加而成的势场中运动，从而单 个电子的运动特性只取决于其它电子的电子云雨与后者的瞬时位置无关。于是， 每个电子可分别用一个单电子波函数描述。又因为单电子的波函数自变量彼此独 立，n 电子的波函数可写成n 个单电子波函数的乘积。 叩( b z 。，而h ) = 叩，：0 ：w ，沁) 叩，) ( 2 7 ) 叩。( _ ) ，1 l i ：( 吃) 称为分子轨道- 轨道近似的结果是，将原来的需求解n 个电子的轨旋坐标的体系总波函数的 问题拆分成求n 个单电子波函数的问题。 用式( 2 - 7 ) 描述多电子体系时，必须使它反对称化以满足电子是费米子的 性质，为此，必须使用s l a t e r 行列式的形式。 1 1 对于闭壳层分子，若有2 n 个电子充满n 个轨道，其行列式波函数可写成 1 p = 志军卜1 ) 岛脚- ( 1 ) 叽( 2 ) 叩：( 3 ) 叩w ( 扫) 】 ( 2 - 8 j 下面构成种单电子算符，它的本征函数正好是分子轨道波函数，而它的本 征值正好是分子孰道能量。用f 代表这样的单电子算符，则它应符合： 却i = e 叩i ( i _ 1 ，2 ，n )( 2 9 ) e ；2 一；( 1 ) 郴t ( 1 ) 电 ( 2 一i 0 ) 轨道能量e 为： 巨= + ( 砜一) ( 2 1 1 ) “ 式中，h “= 。( 1 ) 五( 帅i ( 1 ) d 一 ( 2 1 2 ) 巾晔卟眺 墨- 。p f 眇，c 刁丢纵z 矽百z 卜，魄 定义库仑算符，符合下式： 站雌崦 定义交换算符k ，( 1 ) ，它的特征是：当它作用于蛾( 1 ) 时，就得到下式 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 蟊( 1 ) 。p 孵) 1 ：纵列吒】岬 沼 = 青+ ( 岔，安，) ( 2 1 7 ) 于是得到单电子算符的本征方程是 而。却( 2 1 8 ) 这个本征方程称为h a n r e e f o c k 方程，称为h a n r c e f o c k 算符。 再将分子轨道具体化时，通常采用l c a o 法，把分子轨道表达为一定的基函数集 合的线性组合： 蛾一三o ，厶 ( 2 1 9 ) 这样就可以把h a r t r e e f o c k 方程转化为久期方程组： ( ，一e s 胛b ；= 0 ( h = 1 ，2 ，m ) 这一久期方程称为r o o t h a a n 方程，写成矩阵形式为： f c = e s c ( 2 2 9 ) 式中5 的矩阵元s 。，为重叠矩阵。脐为f o c k 矩阵，其矩阵元为 瓦，zf l f ：e r ( 2 - 2 1 ) 具体地 驴日一；弘。m ；t c r ) 一扣旧 弦z z ) 式中，h 。为实矩阵元：h ，= r 西t d r p n 为密度矩阵元：p b ；2 c 。，勺， v h d ) 和( 肼i 竹。) 为排斥积分： ( 弘，i a 盯) af f l ( 1 ) l ( 1 ) r ，2 - 1 厶( 2 ) 丘( 2 ) d _ 矗乇 若对f o c k 矩阵中的各项都严格按其内容进行实际计算，这样的s c f 法称为从 头计算法：若把大部分相对次要的排斥积分忽略掉。同时向单电子算符的其余部 分引入适当的经验计算方法与经验参数，则称为半经验s c f 法。 自洽场( s c f ) 方法处理问题的一般步骤如下： 1 、选取基函数( a o ) ：假定一组m o 近似解； 2 、计算分子积分。在常规算法中这些积分存贮在硬盘中，每次迭代时再读 取它； 3 、构造f o c k 矩阵； 4 、求解h f 方程，获得一组新的近似解( m o 系数和能级) ； 5 、检验收敛情况，若不收敛则回到2 继续作下一次迭代；否则作其他的计算 ( 如布局分析、核能量分割等) 。 二、密度泛函理论方法 在过去的十多年中，密度泛函理论( d f t ) 被成功地获取热化学数据、预测 分予结构、力场和频率，指认质谱( n m r ) 、光电子谱( p e s ) 、电子自旋共振谱 ( e s r ) 和紫外光谱( u v ) ，探讨过渡态结构和活化能，确定偶极矩以及其他分 子性质 1 8 】。d f t 方法已经能够深入地应用于以前只能由h f 和超h f 等从头计算 方法才能研究的问题，而且应用面从化学各分支推广到药物学和材料学等。d f t 方法之所以获得迅速发展，主要原因在于，在相同水平下，它所需计算机时较 h f 和超h f 法少的多，故可适用于较大体系。此外，更重要的是，因为考虑了 电子相关，在大多数情况下其计算结果较h f 结果更符合实验，尤其是对含过渡 金属的体系。 d f t 的基本思想始于t h o m a s 、f e r m i 、d i r a c 和w i g n e r 的早期工作 1 9 - 2 0 1 。其 中在t h o m a s 和f e r m i 的理论框架中，能量的各部分( 动能和静电能) 已经用电 子密度( 而不是波函数) 加以描述，从而触及了d f t 的本质。尽管t h o r n a s f e r m i 方法近似程度大，但由于物理概念清晰，计算上具有优越性，故在原子物理学中 应用很多1 2 1 - 2 2 1 。 h a r t r e e - f o c k - s l a t e r 的已为众所周知的置，方法是基于d f t 并最早用于研究 一个以上的原子体系的近似方法。s l a t e r 用一个正比于电子密度地( 1 3 ) 次幂的 函数近似地表征交换势【2 3 l ，从而适应了当时近似处理固体问题的需要，把以发 展成为研究固体物理的主流方法i 掉卸。 上述t h o m a s - f e r m i 的工作和以方法开始只被认为是有用的数学模型。仅 当6 0 年代h o h e n b e r g 、k o h n 和s h a m 的著名论文1 2 8 - 3 0 l 发表之后，d f t 才成为系 统的理论体系。因为他们证明了电子体系的基态能量可由电子密度唯一地确定 ( 尽管能量与电子密度之间精确的函数关系尚不清楚) 。他们提出的单电子方程 被公认为d f t 方法的新起点；由这些单电子方程原则上可求得精确的电子密度 和总能量。 n 个电子体系的总能量e 羽严格地写为电子密度p 的泛函数 2 8 - 2 9 1 岛【p 】= ，【p 】+ u 【p 】+ e w 【p j ( 2 2 3 a ) 一三军p 2 孵爵；咋南侗砺+ 知等笃吲p 】( z 仍n ， 2 - 2 3 a 中t p 】是( 电荷密度为p 的) 非相互作用体系的动能，矾p 】是经典库仑作 用能，e x c p 是包含在总能中的所有多体作用项，特别是交换一相关能。2 - 2 3 b 式中第一项代表电子密度为p 瓴) 破( 亏) 蛾( 五) 表核与电子的n 个非相互作用电 子的动能，第二项代表核与电子的相互吸引能，第三项为两个电荷分布p ( 弓) 和 p ( 五) 之间的库仑排斥能，最后一项为交换一相关能。交换一相关能e x c 可用球 平均的交换一相关穴函数醪何，s ) 表示为 3 ”7 】： e 。= 一户掣i , s 2 d s ( 2 - 2 4 ) 1 4 式中加和指标y 和y7 遍及a 和卢两种自旋，s = 陆一巧l 。 方程2 - 2 3 中的单电子轨道 谚瓴) ；f = 1 ，n 1 是下列单电子k 0 h n s h a m 方程的解： p + ；南+ 馅嚷+ 旧吨撕阳纵。 之5 式中交换一相关势是对密度的微商 2 8 2 9 】。 = ( 2 - 2 6 ) 与通常意义的分子轨道理论相同，d f t 中的多电子波函数等于单电子波函数( 分 子轨道) 的反对称化的乘积，即s l a l e r 行列式 妒皈) ；敞( 1 ) 嚷( 1 ) 兜( 1 ) 丸一，( 1 ) 兜一，( 1 ) 丸( 1 ) i ( 2 - 2 7 ) 分子轨道也是正交归一化的 协l 咖) 一6 目 ( 2 - 2 8 ) 于是电子密度为： p ( ，) 胁硝 ( 2 2 9 ) 这里求和遍及所有被占分子轨道。分子轨道为a 或君电子占据。若对口和p 电 子使用相同的蛾称为自旋限制性计算；反之，若对a 和卢电子使用不同的破则称 为自旋非限制性或自旋极化计算。在后一种情况下，可得到来自a 和芦的两种不 同的电子密度，二者之和为总电子密度，二者之差为自旋密度。从2 - 2 5 式单电子 k o h n - - s h a m 方程可见，因d 和的构成均需轨道( 单电子波函数的) 信息， 而轨道又正是解2 2 5 式才能得到的结果，所以也要以s c f 迭代方法求解。 穴函数刀( f ，s ) 不仅包含了相互作用电子间的交换作用和相关作用的所有 信息，而且包含了电子相关对动能的影晌【3 1 1 。芦y 瓴，s ) 的物理含义是位于i 处的 电子或多或少地排斥其他电子进入距离s 范围之内。排斥或屏蔽作用的大小随 刀瓴，j ) 增加而增大。实际上穴函数刀( 亏，j ) 只能通过精确求解尼个电子体系的 s c h r d d i n g e r t 亨程获得【2 2 】k 0 l l n s h 锄单电子方程是近似处理的出发点，在作近似 时穴函数刀( i ，j ) 均以模型函数代之。虽然精确的穴函数的形式尚不清楚，但可 证明球平均的( 库仑) 穴相关函数刀+ ( i ，j ) ( r ；r ) ，它具有如下性质3 1 】： 4 z r 醪。( ，s 2 d s - 0 ( 2 - 3 0 ) 此处相应的费米函数乃r 。瓴，5 ( ，一，7 ) 满足归一亿条件 锄r 乃，( i ，s ) s 2 d s = 1 ( 2 - 3 1 ) 且费米项 醪( i ，o ) = 硝( 尹) ( 2 - 3 2 ) 库仑函数酽( 亏，o ) 和霹。( i ，o ) 虽不等于o ，但比形7 ( i ，o ) 小，且与彤( i ) 无简 单关系。方程2 3 0 、2 - 3 1 和2 3 2 是构造模型穴函数所必须满足的限制条件 4 2 】。 三、自洽反应场( s e r f ) 理论方法 许多化学反应是在溶液中进行的。溶剂对溶质分子的构型、构象、电子结构 和物理、化学性质均有一定的影响。近年来人们已经提出多种理论计算方法借以 探讨溶剂效应，如导体状屏蔽( c o s m o ) 【4 3 1 ，极化介质模型( p c m ) 忖4 ”，等 密度面极化介质模型( i p c m ) 4 q 以及自洽等密度面极化介质模型( s c i - p c m ) 【4 6 】等。t a p i a 矛1 2 g o s c i n s k i 将o n s a g c r 的反应场理论【4 7 】融入量子化学分子( m o ) 理论之中，发展成为自洽反应场( s c r f ) 【4 8 】理论方法，将s c r f 理_ 论方法植入 g u a s s i a n 程序包中的工作则是由w o g 和w i g b e r g 等人完成的【4 9 黝。 在o n s a g e r ) 5 z 应场理论中，设想溶质被放置在一球形空穴之中，此空穴被具 有介电常数为e 的连续介质所包围。介质因分子偶极矩的诱导也产生一偶极矩。 此诱导偶极矩反过来与分子偶极矩相互作用。从而产生净的增稳作用。在分子轨 道理论中，溶剂效应可通过在孤立分子的哈密顿( h a m i l t o n ) 算子疗。中加入一 微扰项毫来处理。即考虑了溶剂效应的体系的哈密顿疗。为 巩= 矾+ 瓯 。 ( 2 - 3 3 ) 式中微扰项( 矗，) 描述了分子偶极算子( 肛) 和反应场( r ) 之间的偶合。 h 1 = “。r ( 2 3 4 ) 反应场( r ) 与分子偶极矩( ) 成正比： r - - g “ ( 2 - 3 5 ) 式中常数g 表征反应场强度的大小，依赖于介质的介电常数5 和球形空穴的半径 ( a o ) ： g 2 圳口； ( 2 3 6 ) 而空穴半径可根据下式求出： d ；