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青岛科技人学研究生学位论文 嘧啶类化合物的合成、表征及量子化学计算 摘要 本文设计合成了一系列结构新颖的嘧啶类化合物，进行了结构表征和量子化 学计算，为其合成及进一步的性质研究提供了有价值的参考和理论数据。 一、设计合成了六种结构新颖的嘧啶类化合物，得到了三种新物质的晶体结构， 并通过元素分析、红外光谱、紫外光谱、核磁共振波谱等手段进行了结构表 征。对其中具有共晶结构的2 羧基苯甲酸2 氨基4 ，6 一二甲基嘧啶和苯甲酸。4 ， 6 二甲基2 氨基嘧啶采用量子化学计算方法，结合其单晶结构，用c a s t e p 计 算模块进行了几何构型、能带结构、态密度和光学性质等方面的性能计算， 并将理论计算结果与实验结果进行了对比，为这些化合物的进一步研究提供 了有益的微观结构信息。对化合物的荧光性质、热稳定性能进行测定，揭示 了其微观结构对宏观性质的影响。 二、利用所合成的2 氨基4 ，6 二甲基嘧啶、2 巯基4 ，6 二甲基嘧啶、2 氨基4 甲基6 苯基嘧啶、1 ( 4 ，6 二甲基2 氨基嘧啶) 3 苯( 基) 硫脲等嘧啶衍生物分 别与c o 、f e 、c u 、z n 、n i 等过渡族金属盐反应，得到了一系列会属配合物。 采用i r 、u v 、n m r 等手段做了表征，并用饱和法推断了几种配合物的结构， 为扩大其应用范围提供了有用的信息和数据。对1 ( 4 ，6 二甲基2 氨基嘧啶) 3 苯( 基) 硫脲嘧啶及其配合物的荧光性质进行了测定，从其荧光的变化推断其微 观结构信息。 三、利用所合成的2 氨基4 ，6 - - 甲基嘧啶做反应物分别与新制备的苯甲酰氯、苯 磺酰氯、4 氯n ( 4 ，6 - - 甲基嘧啶基) 苯甲酰氯、4 , 6 二甲基一n 一甲苯磺酰氯合成 了四种新结构的酰胺化合物。对其合成条件进行了探索讨论，并使用元素分 析、红外和核磁共振波谱进行分析。 四、合成了三种新结构的席夫碱、二氮烯和苯脲化合物，培养单晶并进行了结构 解析。此外，还对苯甲酸的晶体结构做了相应描述，通过量子化学计算程序 对其性质进行理论计算。 关键词：嘧啶类化合物酰胺类化合物量子化学计算会属配合物c a s t e p 嘧啶类化合物的合成、表征及堵子化学计算 s t u d yo ns y n t h e s i z e ，c h a r a c t e r a n d q u a n t u mc h e m i s t r y s i m u l a t i o n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w eh a v ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e das e r i e so f p y r i m i d i n ec o m p o u n d s ， t e s t e dt h e i rs t r u c t u r e , a n de x p l o r e dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s u s i n gq u a n t u mc h e m i c a l c a l c u l a t i o n t h e yp r o v i d eh e l p f u l i n f o r m a t i o nf o rt h ef u r t h e r s t u d i e so nt h e s e c o m p o u n d s 1 w es y n t h e s e ds i xn o v e ls t r u c t u r a lp y r i m i d i n ec o m p o u n d sa n dg o tt h r e en e wc r y s t a l s t r u c t u r e s e a ，i r ，u vn m rs p e c t r o s c o p yh a v eb e e nu s e dt oc h a r a c t e r i z et h e c o m p o u n d s 2 - h y d r o x y b e n z o i ca c i d 一2 a m i n o - 4 ，6 - d i m e t h y l p y r i m i d i n ea n db e n z o i c a c i d 一2 一a m i n o - 4 ，6 - d i m e t h y l p y r i m i d i n ew i t hc o s r y s t a ls t r u c t u r ew e r ec a l c u l a t e db y q u a n t u mc h e m i c a lc a l c u l a t i o nu s i n gc a s t e pm e t h o d ，t h ee n e r g yb a n ds t r u c t u r e ， d e n s i t yo fs t a t e sa n ds p e c t r a lp r o p e r t i e so ft h e mw e r ea n a l y z e d t h et h e o r yc a l c u l a t e d a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e df o rf u r t h e rs t u d yo ft h e s ec o m p o u n d sp r o v i d e d u s e f u li n f o r m a t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r e 2 u s i n g2 - a m i n o - 4 ，6 - d i m e t h y l p y r i m i d i n e ，2 - t h i o l 一4 ，6 - d i m e t h y l p y r i m i d i n e ， 4 - m e t h y l 一6 一p h e n y l p y f i m i d i n 一2 一a m i n e a n d 1 - ( 4 ，6 - d i m e t h y l 2 一a m i n o p y r i m i d i n e ) 3 一 b e n z e n e ( b a s e ) r e a c t e dw i t ht r a n s i t i o n a lm e t a ls y n t h e s i z i n gas e r i e so fm e t a lc o m p l e x e s a n a l y z i n ge m p l o y e di r 、u v 、n m rm e t h o d s ，c o n c l u d i n gm i c r o s t r u c t u r ew i t h s a t u r a t i o nw a y , t oe x p a n dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o no ft h e s ec o m p o u n d sa n dt op r o v i d e u s e f u li n f o r m a t i o na n dd a t a f o r1 ( 4 ，6 - d i m e t h y l 一2 - a m i n o p y r i m i d i n e ) 一3 - b e n z e n e ( b a s e ) a n d i t s c o m p l e x ，t e s e d t h e i r f l u o r e s c e n c yc h a r a c t e r s ，a n d d e d u c e d m i c r o s t r u c t u r e 3 s y n t h e s i z e df o u rn e ws t r u c t u r a lc o m p o u n d s ：2 - a m i n o - 4 ，6 - d i m e t h y l p y r i m i d i n e r e a c t e dw i t hb e n z a m i d e s ，b e n z s u l f a m i d e sn 一( 4 ，6 - d i m e t h y l p y r i m i d i n 一2 一y 1 ) b e n z a m i d e ， 青岛科技人学研究生学位论文 4 一c h l o r o n 一( 4 ，6 - d i m e t h y l p y r i m i d i n - 2 - y 1 ) b e n z a m i d e t h ec o n d i t i o n so ft h e i rs y n t h e s i s w e r ee x p l o r a t e d e a ，i ra n du vw e r eu s e df o rs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i z a t i o n 4 s y n t h e s i z e dt h r e en e ws c h i f fb a s es t r u c t u r e s ，t w ou r e an i t r o g e na n db e n z e n e c o m p o u n d s ，a n dg o tt h e i rc r y s t a ls t r u c t u r e ，c a r r i e do u tas t r u c t u r a la n a l y s i s i na d d i t i o n ， d e s c r i p e dt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fb e n z o i ca c i d ，u s i n gt h eq u a n t u mc h e m i c a lc a l c u l a t i o n o f t h e i rn a t u r et op e c u l a t et h ec o r r e s p o n d i n gp r o j e c t i o n s k e yw o r d s ：p 巾m i d i n ec o m p o u n d s ，a m i d ec o m p o u n d s ，q u a n t u mc h e m i c a l c a l c u l a t i o n ，m e t a l c o m p l e x ，c a s t e p 青岛科技人学研究生学俯论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。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做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：s 教 t 噘 ，k 弋i 同期：卅年6 月夕r 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保尉、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f l - 币lj 磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权学校- i 丁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e i j 或扫描等复制手段保存、；i ：编学位论文。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍 然为青岛科技人学。( 保密的! 孚f 步论文往解密j 五适川4 i 授权ls ) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以卜厅桩内打”圹) 本人签名： 导师签名： 罐俊、哦 露穆p 、刁 6 丫罗 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 选题背景 i 绪论 有机化合物一般是指含碳的化合物，除碳外，一般有机化合物还含有氢、氧、 氮或卤素等元素。近年来，人们习惯上把有机化合物中除碳、氢、氧、氯、溴、 碘以外的元素称为杂元素，含有杂元素的有机化合物我们就称为杂原子有机化合 物【l 】。杂原子有机化合物在有机合成、医学、农药、生命科学等许多领域具有极 其重要的意义，发展十分迅速。 从结构上分类，有机化合物可以分为两大类，即链状化合物和环状化合物。 在环状化合物中，如果在“环节”原子中除了碳原子之外，还含有一个或多个非碳 原子时，则称为杂环化合物。杂环化合物是有机化合物中最庞大的一类，在现今 已知的有机化合物中，杂环化合物的数量，约占总数的三分之二【2 1 。因此，杂环 化合物在有机化学的各个研究领域中都占有重要的地位。其中，具有生物活性的 杂原子及杂环化合物的合成尤为显著，是众多有机合成化学家们的重点研究领 域。当代有机化合物特别是杂环化合物已渗透到生物制药、分子生物学、材料学 等许多前沿领域。杂环化合物的应用性极强，发展极为迅速，已成为当代有机合 成中最为活跃的研究领域之一。它在自然界分布很广，许多重要的物质如叶绿素、 血红素、核酸以及临床应用的一些有显著疗效的天然药物和合成药物等，都含有 杂环化合物的结构。 近年来随着结构分析和表征技术的进步，越来越多的杂环化合物被发现和使 用，其种类也越来越复杂，杂原子由以前的o 、n 、s 扩展到许多会属和非金属元 素。其用途和应用范围也在不断的拓展。杂环化合物广泛存在于自然的生物活性 体和合成的医用化合物中，地位尤为重要【3 l 。因此，杂环化合物在药物的研发和 合成中的大量应用引起了人们的特别关注。近年来，许多通过固相反应合成杂环 化合物的方案被广泛报道【4 1 】。氢键作用( 包括基本的配对形式) 通过胺基嘧啶或 是基本的堆积作用形成，其在核酸结构和其功能中非常重要。一些胺基嘧啶的衍 生物被用于抗癌药物中【8 一。2 一胺基嘧啶和它的衍生物可通过其中的胺基和杂环上 的氮原子形成稳定的氢键作用链，因此其在结构构建中作用显著【lo l 。胺基嘧啶衍 生物】，胺基嘧啶羧酸盐和共晶化合物的结构【1 2 】被广泛报道。 嘧啶杂环做为一个重要的生物内源物质，广泛存在于生物体内参与生命活 动。由于生物体内广泛存在各种含n 杂环，所以，最常见的含n 杂环嘧啶类化合 嘧啶类化合物的合成、表征及鼙f 化学计算 物一真是化学及化学生物学研究的重点领域之一，广泛受到新医药和新农药创制 人员的关注。在已经上市及讵在丌发的新医药和农药品种中占有相当的比重。含 嘧啶环的医药主要集中于抗肿瘤和病毒两个方面，含嘧啶环的农药则在除草、杀 虫和杀菌三大领域甚至植物生长调节剂方面均有优良表现。嘧啶衍牛物一般也具 有很好的生物活性，在农药中已得到广泛应用。总之，含嘧啶杂环的化合物广泛 应用于医药和农药的制备，是合成许多农用化学杀菌剂、磺酸胺类除草剂或合成 止痛药、抗癌药等药品的一种重要的中i 日j 体。对含氮嘧啶杂环及其衍生物等的配 合物的研究将具有很好的实用价值和理论意义f 1 3 - 1 5 1 。关于2 氨基嘧啶的合成研究 很多，有报道以2 羟基嘧啶合成该产品，但有原料不易获得、反应收率低( 总收 率不超过4 0 ) 等不足【怕】。 嘧啶类化合物还是一种很好的配体，可以和许多会属盐在一定条件下形成配 合物。七十年代术，人们丌始合成它的配合物，1 9 7 7 年合成了第一个配合物c o ( l ) ， 并且得到了晶体结构。其后此类配合物的合成一直是研究的热点。近年来，嘧啶 类化合物得到了广泛的研究和应用，合成了许多衍生物。不管是它本身还是其衍 生物在医药和抗菌方面都有广泛的用途，而且他本身具有断裂d n a 的作用，但 是一直以来其衍生物的配合物却很少报道。考虑到它优良的生物活性及广泛应 用，研究新的合成方法、合成新的衍生物及其配合物成为当今的热门话题。本研 究工作将合成新的嘧啶类化合物的配体及其余属配合物，并对其结构进行表征、 性能进行相应的研究。 1 2 嘧啶类化合物的研究 ! - 0c 、3 1 。 x 、【l 青岛科技人学研究生。学位论文 研究早期，人们通过制备不同取代的乙酰乙酸乙酯，如马柬酸酯和1 3 - 二- ：酮、 1 3 t 取代的乙酰乙酸乙酯，通过酯的钠豁的烷基化方法。而7 取代的乙酰乙酸乙酯 通过与醋酸酯的自身缩合，d 二酮通过酯与丙酮的缩合而得到。不同取代的乙酰 乙酸乙酯和马来酸酯与碳酸反应制得嘧啶酮和嘧啶二酮，b 二酮与碳酸胍形成嘧 啶，条件是在高温下，长时i 日j 反应。处理嘧啶酮或嘧啶二酮与三氯氧磷反应得到 相应氯代衍生物，通过氯代物与相应的试剂反应能得到不同的氨基嘧啶衍生物。 中1 日j 体氨基二氯嘧啶可用来制备相应的衍生物，两个氯原子可以在试剂过量的情 况完全被取代，也可以在控制取代试剂等量的情况下，得到一个氯原子被取代的 产物，第二个氯原子可以用催化氢化还原使之还原为氢，这样就可以得到4 位或 6 位取代的2 氨基嘧啶化合物，但反应时间较长，收率较低。合成4 ，6 二羟基2 嘧啶化合物的收率只有5 2 ，下表反映了其收率情7 兄【博】。 表1 1 合成取代2 氨基嘧啶化合物的收率 t a b 1 1y i e l d sf o rp r e p a r a t i o no f2 一a m i n o p y r i m i d i n ed e r i v a t i v e s 2 氮基嘧啶 收率( ) 2 氮基_ 4 岳_ 二羟基嘧啶 2 一氦基- 4 甲基6 羟基嘧啶 2 氮墓_ 4 甲氧基6 羟基嘧啶 2 氮基_ 4 甲氧基5 甲氧基一6 一羟基嘧啶 2 一氧摹4 甲摹5 甲氧乙墓一6 羟基嘧啶 5 2 7 9 7 9 6 3 4 8 第：二种合成方法：二烯与5 5 浓硫酸在2 0 下放迸反应器l 中，硫酸胍和 3 0 发烟彤i 酸征3 0 下混合在反应器2 中，然后在低温f 以十t 可的述率征反应器 3 中滴加，滴先后缓慢升温9 5 * ( 2 ，大约1 0 0 分钟，用水稀释，用4 0 的氢氧化钠 中和，得到2 氨基嘧啶化合物，收率以胍计为8 0 】。第三种方法：采用1 ，3 丙烯亚胺的一：吉玲酸盐，在甲醇中与5 0 的氰氨反应，室温下反应两小时，形成中 间体，再在室温卜环合，形成2 氨基嘧啶类化合物1 2 0 l 。第四种方法足采_ i ： j0 【、p 不饱和羰基化合物与黼酸胍在碱性条件f 合成2 氮基嘧啶化合物。这种力j 上特别 适用于芳基耳义代的嘧啶化合物，因为含芳坏的a 、t 3 不饱和羰基化合物比较稳定。 如l ，3 二二芳摧2 内烯一1 酮与盐酸胍在3 m o l 氧氧化钠条件f 加热生成2 氨媾4 ， 6 二芳攮嘧蝴! 1 2 1 1 。 嘧啶类化合物的合成、表祉及链子化学计算 1 2 2 嘧啶类化合物的应用研究 嘧啶属：嗪类，是含两个氮杂原子的六元环，两个氮原子位于l 、3 位上，分 子式为c 4 h 4 n 2 ，熔点2 0 2 2 、沸点1 2 3 1 2 4 。虽然嘧啶本身并不存在于自 然界，但它的衍生物或稠和物却广泛存在，每种生物的细胞核都含有核酸 ( n u c l e i c a c i d s ) ，它们都足嘧啶或嘌l 冷( p u r i n e ) 的n ( g l y c o s i d e s ) ，而嘌呤义是嘧啶和 咪唑的稠和物。嘧啶叮主要分为以下三种： o 人 h nn h o h n 火n h c h 3 胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶 ( c y t o s i n e ) ( u r a c i l ) ( t h y m i n e ) 嘧啶是生物学上很重要的一类化合物，自然界把它当作潜在的药物来研究， 许多合成约物是含有孤立的或稠合的嘧啶环【2 2 1 ，含孤立芳嘧啶的磺胺类药物如磺 胺嘧啶、磺胺嘧啶钠、磺胺嘧啶银盐、磺胺甲基嘧啶、2 磺胺5 甲基嘧啶、磺胺 2 甲基嘧啶等都是2 氨基嘧啶的苯磺酰化产物。在嘧啶环上的含有氧的取代产物 能增加磺胺嘧啶的溶解性，它的乙酰化产物在体内能完全以非共轭形式排泄掉 【2 3 】。还有一类肼基嘧啶衍牛物，特别是2 肼基嘧啶j j 醛酮的缩合，扣物义寸致病原微 生物有非常订效的抑制作用【2 4 】。 嘧啶胺类化合物还是嘧啶杀菌剂中近年来有较大进腱的类。f _ i1 9 9 0 年 m a e n o i ”1 等研制第个该类杀菌剂嘧啶菌( m e p a n i p y r i m ) 以术，陆续出现了些 活性较高的杀蔺制，其最火的特点是对包括已产q i 抗。件的耿葡绚他仃特；| 。且活 性广普。嗡啶版炎杀虫( 螨) 剂多由字部兴产j 1 ：发，t o k i o 等忙6 】j 醍道此类化合物 的结构与生物活性关系。嘧啶是人类生命物质中不可缺少的纣【成部分，i 火| 而2 氨 基嘧啶类衍乍物l e 常受到人们的关注，人们已经发现类2 一l l 鬻啶衍7 t - 物足蚩 酶 的抑制剂口7 1 。 1 3 酰胺类化合物的研究进展 1 3 1 酰胺类化合物的合成研究 酰胺是羧酸i j 的羟鹾被氨基( 或胺基) 取代而乍成的化合物，也j 看成足氨 ( 或胺) 的氧被酰离取代的衍g i 物。广泛存在于f j 然界一i - ，蟹i ，i 质址以酰胺键 青岛科技人学研究生学位论文 c o n h ( 或称肽键) 相连的天然高分子化合物。哺乳动物体内蛋白质代谢的最 终产物尿素就是碳酸的二二酰胺h 2 n c o n h 2 。许多生物碱如秋水仙碱、常山碱、麦 角碱等分子结构中都含有酰胺键。酰胺是一种很弱的碱，它可以与强酸形成加合 物，很不稳定，遇水即完全水解。酰胺也可以形成金属盐，多数金属盐遇水也完 全水解。酰胺町通过羧酸铵盐的部分失水，或从酰卤、酸酐、酯的氨解束制取。 酰胺的合成方法有以下两种：羧酸及其衍生物均可作为氨及胺的n 酰化剂， 其反应机理如下： n h r “ r 上。 胺与羧酸的直接酰化是合成酰胺的重要方法，由于这一反应是平衡反应，因 此采用过量的反应物之一或移去反应生成的水，均有利于平衡向产物方向移动。 移去水的方法通常是在反应物中加入甲苯或二甲苯进行共沸蒸馏；也町采用化学 脱水剂移去反应生成的水，如血氧化磷、三氧化磷、三氯氧磷等；若为不挥发的 羧酸与胺反应时，可在直接加热的同时蒸出生成的水，如果胺为挥发的，则可将 胺通入剑熔融的羧酸中进行反应：此外可将胺及羧酸的蒸气通入到2 8 0 的硅胶 或2 0 0 的三氧化二：铝上进行气固相酰化反应。在使用羧酸与胺反应时，一般采 用缩合试剂使反应条件温和来提高效率，常用的有三苯基膦多卤代甲烷【2 引、四氯 化碳、四氯化钛、三氟化硼乙醚、双坏己基碳二酰哑胺【7 、n 一羟基琥珀酰亚胺 酯【3 0 】。 除了用羧酸肖接与胺作用得到酰胺外，用羧酸衍生物，如酰卤与胺反应极易 进行，是合成酰胺的简便方法。酸酐与胺的反应特另u 适用于亚酰胺的合成，而酯 和胺的反应是合成酰胺的另一个重要方法，许多可生成n 取代酰胺。酰卤与胺作 用是合成酰 ：f f ：最简便的方法，脂肪族胺、芳香族腹均可用酰肉迅速酰化以较- 岛的 产率生成酰胺，由于酰卤与胺的反应常常是放热的，有时甚至极为剧烈，因此通 常在冰水冷却下进行反应，也可使用一定量的溶剂以减缓反应速度，常用的溶剂 为水、二二氯乙烷、乙醚、苯、四氯化碳、甲苯等。反应中释放的氯化氢能与游离 的胶合成盐，从而降低了酰化反应速度，故常加入碱中和反应生成的卤化氢，使 氨基保持游离状态以提高酰化收率。冈此反应常月j 碱。盹试剂作为催化刹，常用的 催化剂有三甲股、三乙股、喹i 蚌本、吡啶或氢氧化钠水溶液等，有时加入过量的胺 既作为反应物又作为催化剂。酰卤通常由羧酸制得，可以在羧酸与胺的反应q ，加 入弧硫酰氯一步制得酰胺，而1 i 需要分离酰削川j 。 一 一 一 一 o c l z r +mr 嘧啶类化合物的合成、表祉及姑子化学计算 1 3 2 酰胺类化合物的应用研究 酰胺的化学性质主要体现在以下几个方面： 1 酸碱性 酰胺一般是近中性的化合物，但在定条件下可表现出弱酸或弱碱性。酰胺 是氨或胺的酰基衍生物，分子中有氨摹或烃氨基，但其碱性比氨或胺要弱得多。 酰胺碱性很弱，是山于分子中氨基氮上的未共用电子对与羰基的兀电子形成共轭 体系，使氮上的电子云密度降低，因而接受质子的能力减弱。这时c n 键出现一 定程度的双键性。 然而，氮上的电子云密度降低，却使n h 键的极性增加，从而表现出微弱的 酸性。如果氨分子中有两个氢原子被一个二元酸的酰基取代，则生成坏状的亚氨 基化合物( 酰亚胺) 。由于两个羰基的吸电子作用，使亚氨基的n h 键极性明显 增加，氮上的氢原子较易变为质子，而呈弱酸性。 2 水解 酰胺在通常情况下较难水解。在酸或碱的存在下加热时，则可加速反应，但 比羧酸酯的水解慢得多。n 取代酰胺同样可以进行水解，生成羧酸和胺。 3 与亚硝酸反应 酰胺与业硝酸作用生成相应的羧酸，并放出氮气。2 氨基嘧啶类化合物是制 备含嘧啶坏的磺胺类药物和磺酰脲类除草齐u n o 重要中l 日j 体，用胍与d 二羰基化合 物缩合和嘧啶上的亲核取代反应，合成了系列的2 氨基4 ，6 二取代嘧啶并进 行了除草活性测定，表明2 氨基嘧啶1 ：卜耳义代基的性质、位置及数目对磺酰脲类 除草剂的生物活性育重要影响，人i f j $ 合成了2 氨基4 ，5 ，6 三取代嘧啶的一系 列的化合物”2 。 酰胺类化合物近年来已得到较火发腱，陔类化合物具有高生物活性、高选择 性、推j 。使川剂量卜- 时作物安全、住卡f i 【物体内或上壤中易降解等特点，得到j “泛 的应用【33 1 。酰胺类化合物作为杀菌刺使川已有几十年的历史，自1 9 6 6 年v o n s c h m e l i n g 等发现内吸性杀菌剂萎锈父( c a r b o x i n ) 以来，共丌发了2 0 多个结构相似 的杀菌剂品种，如麦锈灵( b e n o d a n i l ) 、氟酰j 支( f l u t o l a n i l ) 、噻氟酰胺( t r i f l u z a m i d e ) 和噻哗菌胺( e t h a b o x a m ) 等。此类杀菌刹j i 婴作用- 一病原菌细胞n 乎吸过程中线粒体 呼i l 及链上复合物处琥舶酸一辅酶q 的瓴化还原酶系，抑制生物体能量的形成，i l j 用来防治吐i 担子菌纲真菌，；| 起的植物柏。j ；，个别品种呵用于防治植物细菌性痫。i # 3 4 1 o 另一方面，自19 6 8 年英 日卜内| j 化学公司丌发了含嘧啶环的内吸性杀菌剂 乙菌啶( e t h i r i m 0 1 ) 和q 】菌啶( d i m e t h i r i m 0 1 ) 以来，嘧啶胺类杀菌剂品种嘧菌胺 青岛科技人学研究生学何论文 ( m e p a n i p y r i m ) 、甲基嘧菌胺( p y d m t h a n i l ) 和嘧菌环胺( c y p r o d i n i l ) ) r 1 继问世。这些嘧 啶胺类杀菌剂对狄葡萄孢产生的各种病害均有很高的防效，并且作用方式独特。 此外，自孟山都公司于1 9 5 6 年丌发成功旱田除草剂：一：丙烯草胺( c d a a ) 后。酰胺 类除草剂有了较大发展，到目自订己有5 3 个品种商品化，在近代农f 日化学除草剂 中占居重要地位，1 9 9 6 1 9 9 7 年全球平均年销售额达1 6 亿美元，仅次于有机磷 除草剂而居世界第二位，其应用作物种类与使用面积均居除草剂i 玎列。由于嘧啶 衍生物广泛存在于自然界，且嘧蜒酰胺类化合物作为杀菌剂具有安全高效的特 点，因此，进一步寻找高效、低毒且结构简单的杀菌活性化合物，以及此类化合 物的合成等成为农药工作者研究的热点【”】。 2 0 世纪4 0 年代初，h b t u k e y 和c e l i ak i r b y 成功地j r 发和生产了2 ，4 二氯 苯氧乙酸类化合物，在化学除草剂方面丌辟了一个新纪元。几十年来，化学除草 剂的优良品种不断出现。综上所述，新型、高效、低毒的酰胺类除草剂，其丌发 6 订景十分广阔，在未柬除草剂丌发和应用中的地位将更加重要【3 6 】。 酰股类除草剂是除草剂中较为重要的一类，是一种高效、高选择性的触杀型 除草剂。如苯氧乙酸类除草剂，苯氧乙酸类除草剂选择性高，一般对双子叶植物 最为敏感；具有内吸性，能迅速的传导到植株全身，使药效充分发挥；此外，还 易于制造，对环境友好、而酰胺类除草剂是2 0 世纪6 0 年代丌发的，为种高效。 高选择性的触杀型除草剂。它对多种禾本科双子叶植物具有强烈的毒杀作用，主 要用于防除一年牛禾本科杂草幼芽，对成株杂草、宽叶杂草防除效果较差。这类 除草剂水溶性中等，挥发性较低，用作土壤处理剂，在土壤中残效约l - - 3 个月【3 。 从生理活性及化学结构考虑，可将酰胺类除草剂分为酰芳胺类及氯代乙酰胲类。 其q 氯代乙酰腹类t l i 事导地位，涉及的品种较多。 酰芳胺类除草刺足于1 9 5 6 年发现著名的水稻选择性除草剂敌稗后而逐渐发 展起术的，随丽脱了按i 大j 股，苯噻革股等品种。 ：氯代乙酰胺类除草剂r 1 1 。 c d a a ( n ，n ：烯丙摹a 氯代乙酰胺) ，是第一个商品化的除草刺。毒草胺则是在 1 9 6 5 勺! 为改进c d a a 而) 1 ：发的，1 9 6 9 年以后，美固盂i l i 都公司先后又了1 ：发了甲 草股、】荦：收、乙尊：版等品科- ，这类除草剂在今h 市场上仍占有重要地位，异丙 l = 1 草版则足j ：1 9 7 4 年，：发生产的【3 引。用量最大的品种是芹丙甲草胺销售额为3 6 亿荚厄，= 次越乙草收为2 0 亿美元和甲草胺1 7 亿美元。 现阶段，陶阮：卜新的农药与医药相结合的研究不断增多，酰胺类化合物分f 中町引入杂蚪，以增强该类化合物的效能。 嘧啶类化合物的合成、表征及鳞f 化。7 4 - t 。算 1 4 席夫碱类化合物简介 席丈碱是含有亚氨基的一类化合物。在1 8 6 4 年由s c h i f f 首先发现。席夫碱可 以由伯胺与活泼羧基化合物缩合制得，其特点是能够灵活地选择反应物。改变取 代基给予体原子本性及其位置，便于丌拓出许多从链状到环合，从单齿到多齿的 性能各异，结构多变的席犬碱配体，如单齿席夫碱、双齿席夫碱、不对称席夫碱、 异双席夫碱等。自从发现过渡金属配合物具有生物活性以来【3 9 4 0 1 ，这个领域的研 究就逐渐的活跃起来【引1 。席夫碱不仅可以和过渡会属形成配合物，还可以和镧系、 锕系及主族会属形成配合物，这些配合物在分析化学、立体化学、电化学、光谱 学、分子自组装、超分子化学、生物化学模拟系统、催化、材料、核化学等学科 领域都有重要意义【4 2 4 3 1 。 席夫碱与金属离子或会属有机化合物形成配合物后，可以大大提高其生物活 性，降低毒性。很多配合物除了具有生理活性外，还是优良的催化剂。b i l i m a n 等人m 】发现席夫碱( i i ) 的配合物具有抗癌和抗肿瘤活性后，此领域的研究更加活 跃。余宝源等合成了钻与邻氯苯甲醛和亚苄丙酮的席夫碱配合物。a k i r an i s h i n a g a 等研究了两分子水杨醛与一系列二胺缩合得到的席夫碱钻的配合物在取代乙烯 氧化中的催化作用，其反应产率高达以上。 s 型席夫碱与金属离子易形成平面型n ，n ，o ，o 四配位的金属配合物，中 心结构与金属卟啉中的n ，n ，n ，n 金属配合物很相似，因而，在模拟m 红素 可逆吸附分子氧【4 5 】及模拟细胞色素p - 4 5 0 催化烯烃环氧化等领域也受到关；j ：。另 外，作为q i 物尢机化学领域的一个重要组成部分，过渡会属席犬碱配合物裆：攀1 1 ) ( 和分离【4 6 1 ，载氧体模型化合物、抗癌1 47 1 、抑菌化合物以及仿酶催化等方f f i 也得到 了广泛的应f j 。 近年术，人们1 i 冉满足f 传统原料缩台肺成的席大碱，而转向j 二u 与3 它新 型材料合成席大碱配合物，如酚类、唆吩类、呋哺类 4 8 1 、非环多醚类，j ：对它们 的一些性质，渚如均衡性、稳定性、溶解性等进行了研究。研究过程一1 】，不仪讲 究选择j j j 能性腺料，并对其形成机理，光谱性质等方面均有进。步的研究，f i j j 综合考虑了形成配合物后的功能性、j 一谱性。 1 5 量子化学计算程序介绍 第。件原理汁算借助量子力学的罐本方取- e ”) r 兀某蝗合理而且必要的近似，从l 乜 子莉l 原j 乞水甲对复杂的多粒子体系进行计算。这利，计算如实的把嘲体作为l ur 和 原，r 核纠l 成的多粒子体系，求出系统的总能鳢，根掘总能量以及| 乜矗，结构1 原f 青岛科技人! 学研究生学位论文 核构型的关系确定系统的状态。显然，只有这样的计算j , - q 以使人们有可能从电 子和原子水平认识物质。电子作为离子相互作用的中介，是第一性原理计算的主 要对象。 m a t e r i a l ss t u d i o 是专门为材料科学模拟所设计，能方便的建立3 d 分子模型， 深入分析有机、无机日1 - 日1 体、无定形材料以及聚合物，可以在催化剂、聚合物、固 体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域进行性质预测、聚 合物建模和x 射线衍射模拟，操作灵活方便，并且最大限度地运用网络资源。 c a s t e p ( c a m b r i d g es e r i a lt o t a le n e r g yp a c k a g e ) t 4 9 j 是m a t e r i a l ss t u d i o 的量子化 学模块之一，由f o r t r a n 9 0 语言编写，采用密度泛函理论模拟固体、界面和表面的 特性，研究的材料包括陶瓷、半导体、金属、矿物、沸石、液晶等。适用于固体 物理、材料科学、化学以及化工领域，可以节省实验成本，缩短丌发周期。本文 应用m a t e r i a l ss t u d i o 中的c a s t e p 程序对所合成的单晶进行了理论计算。 c a s t e p 是专为固体材料科学设计的当自仃最高水平的量子力学软件包之一， 典型的功能包括研究表面化学、能带结构、态密度和光学性质。它也能够研究体 系电荷密度的空间分布和体系波函数。c a s t e p 还可以用来计算晶体的弹性模量 和相关的力学性能，如泊松系数等。c a s t e p 中的过度念搜索工其提供了研究气 相或者材料表面化学反应的技术。半导体和其他固体材料的许多性能f t l 子性质 决定，而电子性质又由原子结构决定，特别是缺陷在改变电子结构j 二的作用对半 导体性质尤为重要。分子模拟，特别是量子物理技术，可用来预测原f e l l f 乜子结 构及分析缺陷对材料性能的影响。c a s t e p 能有效的研究存矾：点缺陷、空位、替 代杂质、位错等的半导体和其它材料的性能。 除此以外，它还可以被用来计算固体的振动性质，如声j 二色散父系、声予态 密度等。这些计算结果呵以用来分析表面吸附的振动性质，可以解释丈验中的振 动谱，1 1 j 。以研究在高温商厂f i 卜的十| = i 稳定竹i 等等。 c a s t e p 是一个平面波赝势程序包。c a s t e p 软件包提f j 了从火鳟分j ：动力 学方法，集成于界面友好的m a t e r i a l ss t u d i o 图形用户界晰，避| | i j i 汁算机模拟实 验r 1 - 最先进最重要的赝势能带方法之一。它使用密度泛函理沦( d e n s i t yf u n c t i n o n a l t h e o r y , d f t ) ，并采用局域密度近似或广义梯度近似柬处理交换川天势。采川局域 密度近似时交换棚关势的公式使用由p e r d e w z u n g e r 进i r 参数修l | 二 c e p e r l e y a l d e r ( c a p z ) 函数给h ；的形式，采用广义梯度近f 以t 1 t 交换十 i 天辨的公 式可以使用由p e r d e w b u r k e e m z e r h o f ( p b e ) 、r e v i s e dp e r d e w - b u r k e e m z e r h o f r r p b e ) 或p e r d e w w a n g ( p w 9 1 ) 给出的形式。所采n j 的! 体睃坍形式仃l i i 则守 恒赝势和v a n d e r b i l t 形式的超软赝势。布罩渊区积分采j m o n k h o r s t p a c k 形弋的 特殊k 点方法，特殊k 点的数也可以经过优化。冉增人特殊kl i 数l l ，以保 9 嘧啶类化合物的合成、表祉及龄f 化学计算 证能量收敛，但是计算量增大且耗时长【5 0 】。 程序的功能： 1 任务类型：计算总能量、力和张量，包含或不包含内部外部束缚的几何结构 优化，过渡态搜索，弹性系数，用线性响应理论计算声子频率。 2 功能：智能选择关键参量( 基组，f f t 网格，k 点，收敛闽值等) ，选择局域 和非局域交换相关泛函，整个周期表的超软和诉则守恒赝势，显示能带结构、局 域和部分念密度，计算含频介电函数和光学特性。 3 任务控制与重新丌始计算：选择并行化数据分配方案( k ，g 或k + g ) ，选择 c p u 数量，指定服务器，监视几何优化的能量和梯度，升级结构，中l 卜远程服务 器的任务，重新丌始s c f ，m d 和几何优化。 4 特性：紫外可见光谱，m u l l i k e n 布居和电荷分析，键级分析，显示电荷、自旋 以及形变密度，显示体特性的3 d 轮廓图和2 d 截面图，计算静念弹性常数，声子 散射，总态密度和念的投影密度，热动力学特性( 生成热，自由能。焓，熵，d e b y e 温度) ，材料缺陷的特性，显示能带，用2 d 或3 d 形式显示体系的电荷密度，宏 观缺陷的特性( 如断裂，晶粒边界) 。 5 其它：多个k 点，实空间或者倒空l 日j 的赝势表示，完全使用对称性减少k 点集 合。 1 6 本课题的设计思想 hi i 人们已设汁并合成 l 多利，嘧啶及其衍生物，利用一些活性的嘧啶类化合 物做配体合成的金腻配合物也f 1 益增多，含嘧啶环的酰胺类化合物也直是人们 研究的热点。们l 刈j 陀质的研究还主要停留在其农药及医药、q i 物活m - ：7 j 面，作 为光f 乜十寸料。对! 芝光h 质f | ，j 研究比较少，刈嘧啶啦d 材料所做的醚j 二化。学汁算 ：1 ：作也川川j l ：始起步。 鉴_ j 二l 述j 刺州小论文设计合成了六种嘧啶类化合物，合成路线如图1 1 。 n hn 州3 i i h c i 卜卜洲：喇呸一f 川3 高n 飞 r _ c h “l ，h 6n 弋 “j 青岛科技人。学研究生学何论文 s i i h c i h 2 n c n h 2 + c h 3 c o c h ：c o c h ，= 一 - - c h 3 0 h r e f l u 图1 i 本文设计的嘧啶类化合物 f i g 1 - 1p 州m i d i n e sd e s i g n e di nt h i st h e s i s 另外，得到三种适合x r a y i i i 射的嘧啶化合物品体，并确定其结构，对其中的 两个具有共晶结构的新物质进行了量子化学计算，对其性质做相应研究；运用所 合成的嘧啶类化合物合成了四种酰胺类化合物，并进行了表征及合成过程探索； 同时，将嘧啶类化合物作为配体与不同的过渡族会属盐作用合成出一系列配合 物。合成了新结构的席夫碱、二氮烯和苯脲三种化合物，并解析了其单晶结构， 利用量子化学计算软件计算了苯甲酸的十| 1 关性质。 1 7 本论文的主要工作及创新点 本论文的主要工作： 、本论文设计合成了一系列结构新颖的嘧啶类化合物，得到了三种新物质 的晶体结构，并通过元素分析、红外光谱、紫外光潜、核磁共振波谱等手段对其 余化合物进行了结构表征。对得到晶体结构的化f 物采用量子化学方法，结合单 晶结构，用c a s t e p 量子化学计算程寄进行了几何构型、能带结构、念密度和光 谱等方面的计算研究，并将理论计算结粜实验结果进行了对比，为这些化合物 的进步研究提供了有益的微观结构信息。刘化合物的荧光性质进行了测定，还 测定了它f f j 的热稳定陀能，搦，j ：了j e 微观绌构刈么：脱性质的影响。 二、为了进步研究嘧啶类化合物的。件质，柏：所合成的化合物基础r 卜设计合 成了几种含嘧啶月：的酰胺类化合物。测定了i 巧# f i 9 荧光变化，为其在光学方面的 应用提供了有力的理论依扒。测定了它们的热l 急定 l t - f i e ，从微观结构上分析其差 别。 三、设计合成了。系列配合物，从微观结 = ；：i 价，0 ，模拟物，了解和推断它们呵 能具有的宏观性能，为扩人这类化合物的j 川范捉供何用的信息和数据。并对 其荧光陀质进- t + 】：测定，时加入不同的令j 蠢成j ，探测其对配体荧光的影响，期 待从其荧光的变化推断m 微观结构信息。 本论文的创新点： 删弋彳 nn 临 嘧啶类化合物的合成、表征及颦f 化。节计算 设计合成了系列结构新颖的嘧啶类化合物，另外得至0 了三中新结构的单晶， 通过x 射线单晶衍射确定了他们的结构，并对