（有机化学专业论文）负氢化合物热力学性质的理论研究.pdf

摘要 摘要 有机负氢化合物是有机化学中一类重要的化合物，在化学和生物化学反应中 能给出负氢离子。许多重要的生物合成和代谢过程均有天然有机负氢化合物烟酰 辅酶的参与。从物理有机的角度来看，有关负氢化合物负氢解离的热力学性质的 研究几乎是个空白，主要是因为实验上很难获得这些重要的热力学参数。本文使 用量子化学的方法，从物理有机的角度研究了负氢化合物的负氢解离能，单电子 转移电位等热力学性质。 在第一章中，概述了有机负氢化合物热力学和动力学的研究背景、现状和意 义，并简要概述了有机化合物结构和热力学性质的关系，以及本论文主要的研究 目的和创新点。 在第二章中，简要介绍了理论有机化学方法，主要包括量子化学方法，重点 介绍了组合从头算方法。 在第三章中，主要报道了负氢化合物的负氢解离能的理论研究。我们运用新 发展的高精度o n i o m g 4 理论方法，用于负氢解离能的精确计算，对于负氢解 离能的计算精度达到1 8k c a l m o l ，在此基础上，我们系统的设计了一系列新的 负氢化合物，并详细研究了其结构与负氢解离能之间的结构性能关系。 在第四章中，我们使用资源消耗少的d f t 方法，准确地计算了乙腈溶剂中 负氢化合物的单电子转移电势，并研究了其结构与单电子转移能力之问的关系。 在第五章中，我们使用高精度分层o n i o m g 3 方法，研究了d m s o 中叶立 德前体的p k a 值，并系统地研究了含n 、o 、s 、a s 、s e 、t e 的叶立德前体的p k a 值，进而建立了一个较为全面的叶立德热稳定性序列。 在第六章中，对一类含氯的环境污染物中碳氯键的解离能进行了研究，运用 经过检验的d f t 方法，对于一系列环境危害较大，但可通过光化学降解和生物 降解的氯代有机物的碳氯键离解能值进行预测，并讨论了影响碳氯键离解能的结 构性质关系。 本文以量子化学方法为工具，物理有机化学为指导，系统地研究了一系列有 机化合物的结构活性关系。本文的研究成果为生物和有机合成化学的发展提供了 有价值的基础资料。 关键词：密度泛函方法：量子化学；键解离能；负氢解离能；氧化还原电势。 a b s t r a c t _ _ l _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - - - r i _ _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - - - _ - - - _ _ - _ - _ _ - _ - - _ ，- _ - _ _ - 一一 a b s t r a c t o r g a n i ch y d r i d ed o n o r sa r eo n ec l a s so fv e r yi m p o r t a n to r g a n i cc o m p o u n d s t h a t c a np r o v i d eh y d r i d ea n i o n si nc h e m i c a la n db i o c h e m i c a lr e a c t i o n s f r o mt h ev i e wo f p h y s i c a lo r g a n i cc h e m i s t r y , v e r yf e wp a p e r sw e r ef o u n dt or e p o r tt h ed e t e r m i n a t i o no f t h et h e r m o d y n a m i cd r i v i n gf o r c e so ft h ec o m p o u n d sa so r g a n i ch y d r i d ed o n o r st o r e l e a s eh y d r i d ea n i o ni ns o l u t i o ns of a r i nt h i ss t u d y , w ee m p l o yt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n st os t u d yt h et h e r m o d y n a m i cd r i v i n gf o r c e so ft h ec o m p o u n d s i nt h ef i r s tc h a p t e r , w er e v i e w e dt h eb a c kg r o u n do ft h eo r g a n i ch y d r i d ed o n o r a n dt h es t u d i e so ni t st h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c s t h e nw ei n t r o d u c e dt h e 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 po fc o m p o u n d s i nt h es e c o n dc h a p t e r , s e v e r a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g q u a n t u mc h e m i s t r ym e t h o d ，a n d m o s ti m p o r t a n t l y , t h eo n i o mm e t h o d i nt h et h i r dc h a p t e r , t h en e wd e v e l o p e do n i o m g 4m e t h o dw a su s e d t o a c c u r a t e l yp r e d i c tt h eh y d r i c i t i e so fo r g a n i ch y d r i d ed o n o r s i na c e t o n i t r i l e i nt h i s w o r kw es u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e da ne f f e c t i v et o o lw i t hh i 曲p r e c i s i o n ( 1 8k c a l m 0 1 ) f o rp r e d i c t i n gt h eh y d r i c i t i e s b a s e do nt h ed a t aw eo b t a i n e d ，w es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e dt 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 p si nh y d r i c i t i e so fo r g a n i ch y d r i d ed o n o r s i nt h ef o u r t hc h a p t e r , d f tm e t h o dw a su s e dt op r e d i c tt h er e d o xp o t e n t i a l so f o r g a n i ch y d r i d ed o n o r s ，w h o s er e l i a b i l i t y h a sb e e nt e s t e da g a i n s ta l m o s ta l lt h e a v a i l a b l ee x p e r i m e n t a ld a t a b yu s i n gt h i sm e t h o d ，t h ei m p o r t a n tt h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s o fo r g a n i ch y d r i d ed o n o r sw e r ei n v e s t i g a t e da n dt h em e c h a n i s m so f h y d r i d e t r a n s f e rp r o g r e s sw e r ee x p l a i n e d i nt h ef i f t hc h a p t e r , w ec o n s t r u c tac o m p l e t ey l i d et h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t ys c a l e o nt h eb a s i so fa c c u r a t e l yc a l c u l a t e dc - hp k a so fy l i d ep r e c u r s o r s f o rt h ef i r s tt i m e ， c o r r e s p o n d i n gs u b s t i t u e n te f f e c t sw e r er a t i o n a l i z e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h es i x t hc h a p t e r , d f tm e t h o dw a su s e dt op r e d i c tt h eb d eo fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t a n t s a r m e dw i t ht h i sp o w e r f u lt o o l ，t h ec - c lb o n dd i s s o c i a t i o ne n t h a l p i e s ( b d e s ) o fs o m ep e r s i s t e n te n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t s a lec a l c u l a t e d f u r t h e r , t h e s u b s t i t u e n te f f e c t sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：d e n s i t yf u n c t i o n a lm e t h o d ( d f t ) ；q u a n t u mc h e m i s t r y ；b o n d d i s s o c i a t i o ne n e r g y ( b d e ) ；h y d r i c i t y ；r e d o xp o t e n t i a l 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字同期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许沦文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在众多的有机化合物中有许多天然的或人工合成的有机化合物，虽然它们中 的氢原子带有部分j 下电荷，但这些带有正电荷的氢原子在许多重要的化学或生物 化学反应中通常以负氢离子的形式转移给其作用的底物，这种在化学或生物化学 中能够提供负氢离子给其作用的底物的有机化合物叫做负氢化合物。如烟酰胺辅 酶n a d h ，黄素辅酶f a d h ，维生素c ，以及无数人工合成的五元、六元杂环类 化合物都是负氢化合物。有机负氢化合物是有机化学和生物化学中一类重要的化 合物，天然化合物烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原形式n a d h 以及相应的磷酸酯 n a d ( p ) h 、四氢叶酸、核黄素、辅酶q 等是生物体系中常见负氢化合物还原剂。 这些化合物在生物体的光合作用、呼吸作用、凝血过程中是必不可少的负氢给体 和电子传递载体1 6 。其中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( n a d + ) 及其还原形式( n a d h ) 是一类重要的还原辅酶。在生物体内，它们在酶的催化作用下通过夺氢或给氢将 特定的化合物氧化或还原，为生命体存储和释放能量提供必要的准备7 。生物体 内的许多氧化还原反应以及代谢过程都离不开它们的参与。例如脂肪酸的氧化， 脂酰甘油与鞘脂类代谢、营养性非必须氨基酸的生物合成、氨基酸碳链骨架分解 代谢等过程中n a d + n a d h 的相互转换过程都起着重要作用( 图1 1 ) 。在有机 合成中，有机负氢化合物提供负氢离子的能力也逐渐得到了人们的关注。它们应 用范围广泛，在对生物体内反应机理的研究，有机合成的研究等众多领域中都有 着重要的作用8 - 9 0 并且负氢化合物是潜在的储氢材料，与质子反应就可以放出 氢气，这对于氢能源利用有着潜在的价值。同时，有些化合物作为负氢的受体， 表现为反应中的氧化剂，也有着重要的应用1 0 0 1 6 。 第一章绪论 o ho h - h oo i il l 宁一o 一甲一o o ho h o ho h oo i ii i 甲一o 一甲一o o ho h o ho h o ho h n a d h 图1 1n a d h 与n a d + 通过给出和获得负氢的相互转化过程 早在1 8 8 2 年汉斯酯1 7 即3 ，5 二乙酯1 ，4 二氢吡啶类化合物被人工合成并 研究以来，具有二氢吡啶结构的化学逐渐成为一个热门的研究领域。随后的5 0 年内，对这类化合物的修饰和新的负氢化合物的合成也逐渐被人们深入研究。 1 9 3 0 年人们发现氢转移辅酶就是一种还原型的烟酰胺衍生物，这种辅酶及其相 应的磷酸酯( n a d p h ) 都是在生物体内氧化还原过程中常见的化合物1 8 。其主 要活性部位也可以被二氢毗啶结构来代替，即成为氮取代的二氢烟酰胺化合物。 早先的研究认为n a d h 是1 ，2 二氢烟酰胺的衍生物，但此观点为人所质疑，随 后的一系列实验明白无误的确定了n a d h 的结构是l ，4 二氢烟酰胺的衍生物。 随着人们对辅酶n a d h ( 还原型的烟酰胺腺嘌呤核苷酸，氧化型的吡啶盐表示 为n a d ) 结构研究的不断深入，到2 0 世纪5 0 年代，辅酶n a d h 的精细结构得 到了确定。伴随着辅酶n a d h 化学结构的确定，人们对辅酶的作用模式以及机 理过程进行了广泛深入的研究，但是由于辅酶n a d h 结构复杂，而且可靠的证 据证明n a d h 作用的活性部位是具有二氢吡啶结构的部分，因此多数的研究限 于对n a d h 模型化合物二氢吡啶的研究。许多的综述文献介绍并详细阐述了对 2 旷 + m川jijiiiiii矿 第一章绪论 吡啶核苷酸的结构、立体化学、合成方法以及负氢转移机理的基本规律及最新研 究进展1 9 - 2 4 。 1 2 负氢转移的动力学机理过程 关于负氢化合物的负氢转移机理过程一直是负氢化学中研究的热点问题，并 且也是其负氢转移能力的决定性的因素，因而得到化学家的长期关注。一般来说 有两种可能的负氢转移机理，一是一步负氢转移的机理2 5 , 2 6 ，二是以单电子转移 为前提的多步负氢转移过程( 图1 2 ) 2 7 - 2 9 , 具有二氢吡啶结构的b n a h ( i 圉1 3 ) 被 作为n a d h 最常用的模型化合物，多用来研究负氢转移的机理过程。而研究负 氢转移的动力学过程的方法很多，常用的有：动力学同位素效应，光化学方法， 热力学方法，电化学方法，以及同系物模拟等方法。 h y d r i d et r a n s f e r 图1 2 负氢转移的可能机理过程 3 h 2 第一章绪论 hh l , x n , c o n h 2 b n a h 图1 3 常用模型化合物b n a h 的结构 1 2 1 单电子转移机理 1 9 7 1 年，s t e f f e n s 和c h i p m a n 3 0 第一个提出了辅酶n a d h 形式上的氢负离子 转移按电子转移机理进行。他们在研究b n a h 还原0 【，0 c ，0 【一三氟苯乙酮时，发 现产物同位素效应与反应的动力学同位素效应不一致，从而认为反应不可能按一 步负氢离子转移机理进行。此后，电子转移机理的报导大量出现。尽管p o w e l l 和b r u i c e 3 1 在1 9 8 2 年指出利用动力学同位素效应以及产物同位素效应的差别来 辨别反应机理是不合适的，但电子转移为前提的辅酶n a d h 负氢转移过程的机 理已被普遍证实和接受3 2 - 3 4 0 这其中光诱导的辅酶n a d ( p ) h 模型化合物的还原 反应，普遍被认为是以电子转移的链式机理进行的。 f u k u z u m i 等人3 2 8 研究了n a d h 模型化合物b n a h 与卤代烷烃的光诱导反 应，通过阻抑实验和细节的动力学分析，认为反应是通过一个电子转移的链式机 理进行( 图1 4 ) 。 h v 3 6 0n m - i - 一 b n a h 。 + p h c h 2 b r _ b n h a h + p h c h 2 b r h a b s t r a c t i o n p r o p a g a t i o n ：p h c h 2 + b n a h _ p h c h 3 + b n a + 一 b n a + p h c h 2 b r _ b n a + p h c h 2 b r t e r m i n a t i o n ：2p h c i - i ：2 _ p h c h 2 c h 2 p h 图1 4 o n o 等人3 3 8 研究了光照下0 【一硝基腈类，0 【一硝基酯类及q 硝基酮类化合 物与b n a h 的反应，发现b n a h 可以选择性的用氢取代硝基，而不影响其它基 4 团。由阻抑实验的结果，推测反应通过自由基链式机理进行( 图1 5 ) 。 e t 罩c h ：c a 2 y + b n a h 三e t 罩c h 2 c h 2 ，y + b n a n 0 2卜+ 一_ r - +no,h 竿隙洲+竺一r+coochret c h ，烈2ch2 b n a h 2 l , 1 1 2十c n+ 。+e t l n l n ioh x r 。2 h v c c r ， +b n a h - x i i 0n 0 2 图1 5 r ， c - c i r i oh 在自然界中的氧是以三线态存在的，生物体内基态辅酶n a d h 不能将电子 直接转移给氧，而要通过黄素，辅酶q ，细胞色素等将电子间接地转移给氧。 最近，f u k u z u m i 等人3 2 0 还研究了一系列光诱导下辅酶n a d h 模型选择性 的单电子或双电子还原c 6 0 的反应( 图1 6 ) 。当用b n a h 或二聚体( b n a ) 2 还原 激发的三线态c 6 0 时，c 6 0 被单电子还原得到c 6 0 。 h 2 n o c c 6 0 ! ：3 c 6 0 _ j e l e c t r o nt r a n s f c r b z b z + 、4 c o n h 2 f a s t c c c l e a v a g e - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一i m h 2 n o c s e c o n de l c o t t o n c 6 0j 坠 图1 6 5 o n h 2 o n h 2 + c 6 0 o n 心 b z + c 6 0 c o n h 2 g n 第一争绪论 此反应的极限量子收率为。= 1 3 ，( b n a ) 2 作为两电子的给体，产生两当量 的c 6 0 一。当用另一种辅酶模型物a c r h 2 在含有三氟乙酸的苯甲氰溶液中可见光 照射下还原c 6 0 时，则发生两电子转移得到产物l ，2 - c 6 0 h 2 。经量子收率，动力学 同位素效应，及淬灭反应的研究，发现反应是按光诱导的电子转移链式机理进行 的( 图1 7 ) 。 1 2 2 一步负氢转移机理 m e 图1 7 r j c 6 0 h 2 1 9 5 7 年，w e s t h e i m e 3 5 等人，研究了l ，4 一二氢烟酰胺还原二苯甲硫酮衍生 物的反应，根据反应的动力学同位素效应、取代基效应、溶剂效应，以及p h 值 和氧气对反应无影响等实验事实，提出反应不经过自由基中间体过程，是一步负 氢机理。这之后相当长一段时间内，这一观点被广泛接受。 p a n d i t 3 6 等用辅酶模型物h e h 与1 环丙烷取代的亚胺类化合物反应得到c = n 键被还原的产物，这与n a b h 4 的表现一致，而p h 3 s n h a i b n 的反应则得到 开环产物。这表明反应为一步负氢机理( 图1 8 ) 。 6 第一章绪论 r 伊叩。导r 位c l a p i h b 3 n s n h 尺伊斛辩一伫杆洳一r r 帅h 图1 8 b r u i c e 3 7 等人则研究了黄素( n a v i n ) 对b n a h 及其类似物的氧化反应，经测 定，反应的动力学同位素效应为k h k o = 4 0 6 ，因为进一步的研究表明，b n a h 不 可能通过电子转移还原黄素的阳离子自由基，所以排除了b n a h 对黄素的还原 经历e h - e 机理，而是经历负氢转移机理( 图1 9 ) 。 芤辩o 。+ 妒b zh l 夏：亭- n 刘有成等人3 8 利用2 。溴1 苯基亚乙基丙二腈( b p m ) 及其衍生物作为机理探 针与b n a h 反应。如果b p m 经历多步电子转移途径还原，产物是脱溴的烯烃。 如果经历一步负氢离子转移还原，产物是环丙烷化合物。在热反应条件下产物为 环丙烷化合物，而且反应具有一级动力学同位素效应，反应速率与取代基常数具 有很好的线形关系，p = 2 4 8 表明吸电子取代基能够加速反应的进行。这些都支持 反应是经历一步负氢机理的过程( 图1 1 0 ) 。 留2 堡l 图1 1 0 程津培，朱晓晴等人3 9 观察了h a n t z s c h 酯还原q 一氰基一肉桂酸乙酯和卜 7 是 籀一稳绪论 苯基亚乙基丙二腈的反应。( 图1 1 1 ) 既篡举嘉+ g 分岂n日篡墩i 掌+ g 诊罢n 通过动力学测量，得到h a m m e t t 线性自由能关系，其p 分别为1 7 8 ，1 6 7 。 这些正的p 值说明在氧化剂苯环附近反应中心的负电荷形成包含在决速步骤中， 说明反应机理可能是按一步负氢转移或者电子转移进行。进一步研究反应的动力 学同位素效应发现k h l ( d ( c 4 一d ) ，为5 6 6 0 ，而且k i e 和通过热力学计算得到的活 化参数a g 都与取代基的。值成很好线性关系，这些结果表明反应是通过直接一 步负氢转移进行。 1 3 负氢化合物热力学性质的研究 虽然有关有机负氢化合物化学的研究在实验上已经取得了许多重要的成果， 但是关于负氢化合物结构，立体化学以及物理化学性质的理论研究至今仍很少 见。从物理有机的角度来看，有机负氢化合物的研究还远远落后于有机质子化学， 甚至说有机负氢化合物物理有机化学方面的研究基本上还是一个空白，到目前为 止，实验上不仅没有任何有关有机负氢化合物负氢离子转移理论的提出，甚至连 标度有机负氢化合物提供负氢离子能力大小的热力学参数负氢解离势或负 氢性( h y d r i c i t y ) 和标度有机化合物接受负氢离子能力大小的热力学参数负 氢亲合势或负氢亲合性( h y d r i d ea f f i n i t y ) 以及有关有机负氢化合物电子转移电位 数值的测定至今很少有文献报道4 0 。这些标度有机负氢化合物得失负氢离子能力 大小的最基本的热力学数据的奇缺以及人们对有机负氢离子转移理论的不确定 不仅极大地限制着有机负氢化合物在有机合成等众多领域中的广泛应用，同时也 极大地阻碍着有机负氢化学甚至包括整个有机化学的发展。显然，有机负氢化合 物中的一些重要的物理有机化学问题，如，标度有机化合物提供负氢离子能力大 小的热力学参数负氢解离势或负氢性( h y d r i c i t y ) 数据库建立问题，以及负 氢化合物单电子转移电位数值等的确定是物理有机化学亟需解决的问题，这些问 题的研究和解决必将在极大范围内丌拓有机化学的研究领域，为负氢化合物在生 8 n 一 噎 c l 3 一 h l c 一 图 第一章绪论 物和化学领域的广泛运用提供便利，进而推动负氢化学的发展。实验上，程津培， 朱晓晴教授4 h 坦多年来坚持不懈的对于人工合成的血元和六元杂环类负氢化合物 热力学性质的研究对有机负氢化学的发展起着重要作用。2 0 0 5 年，朱晓晴教授 在第四届全国有机化学大会上关于有机负氢化合物的概念，结构、特性，功能， 用途以及有机负氢化学发展方向等科学问题系统的介绍，标志着有机负氢化学研 究新时代的开始。 1 4 有机化合物分子结构与反应活性 自2 0 世纪初开始，有机化合物的反应活性一直是有机化学研究的中心课题 之一。研究有机化合物反应活性最常见的方法便是对母体分子( p a r e n tm o l e c u l e ) 进行一系列的结构修饰，并在标准状态下观测反应速率和平衡常数随结构的相应 变化。结构因素的改变往往是通过取代基来实现的，通过分析不同取代基效应对 反应中心的影响，化学家们可以阐述一个给定反应对电子效应和空间效应方面的 要求。1 9 3 5 年，h a m m e r 方程的提出是定量研究有机化合物结构和活性关系的 重要突破。h a m m e r 通过水中对位或问位取代苯甲酸的酸性电离常数定义取代基 常数盯： 盯= l o g k x l o g k n h a m m e r 方程既可用于分析某一反应的平衡常数也可用于分析反应速率常 数，方程表示如下： l o gk x = p a + l o gk h 令人惊奇的是，仅仅由苯甲酸电离常数定义的取代基常数可以很好的用于分 析多种反应体系在不同溶剂中的结构一活性关系。h a m e r 方程主要处理反应中心 与苯环有共轭作用体系受苯环取代基电子效应的影响。随后的t a f t 方程4 3 则将 h a m m e r 方程的应用范围大大扩展，通过研究取代乙酸乙酯x c h 2 c o o r 的水解 速率常数，定义了取代基的空间效应常数晟和极性效应常数口+ 。由t a f t 方程， 我们可以分析碳链上取代基团的电子效应和空问效应对反应活性的影响，而不仅 局限于反应中心与苯环共轭的体系。在h a m m e r 方程和t a r 方程提出之后，对 于经典的取代基常数又有很多扩展和修j 下，并发展出很多h a m m e r 方程和t a r 方程的衍生方程。如今，h a m m e r 方程、t a f t 方程及其衍生方程几乎已经用于所 有类型有机化学反应的结构一活性分析。 9 第一帝绪论 1 4 1 影响反应活性的结构因素 由于有机化合物的反应活性常与反应部位的键能直接相关，结构因素对反应 活性的改变在很多情况下是通过影响化合物相关化学键的键能来实现的。比如， 人体中常见的抗氧化剂维生素e ( 生育酚) ，它包含四种衍生物，分别为a ，3 ，y 和6 维生素e ( 图1 12 ) 。这四种衍生物有着不同的反应活性，顺序为 a 3 y 6 4 4 。活性上的区别主要是由四种衍生物在苯环部分不同甲基取代导致的 相应酚羟基键能的不同所决定的。有机化合物的结构一键能关系是研究结构一活性 关系的重要内容。 r l a - t o e o p h e r o l c h 3 b - t o c o p h e r o l c h 3 g - t o c o p h e r o l h 6 h 2 3 d - t o c o p h e r o l h d 量1 lh r 2活性比 c h 3 1 0 0 h 4 0 c h 3 1 0 h 1 图1 1 2 维生素e 的结构及其生物活性 影响有机化合物反应键能的结构凶素包括诱导效应、共轭离域效应、空间 位阻作用等。大多时候结构的变化往往带束多种因素的共同改变，键能的变化是 不同影响因素综合作用的结果。下面将分别叙述各种常见的结构影响因素及其与 物质键能变化之间的关系。 1 4 1 1 诱导效应( i n d u c t i v ee f f e c t ) 诱导效应是指在有机分子中引入原子或基团后使分子中成键电子云的密度 发生变化，化学键极性发生改变的现象。诱导效应只沿碳链传递，且离诱导中心 越远诱导效应越弱。衡量取代基团诱导效应的取代基常数最常见的有仃木和回。 前者是由t a f t 根据取代乙酸水解速率常数定义的，往往含有一定的空间效应冈素 的影响，并非纯粹的诱导效应。而后者是通过取代脂肪酸的电离常数定义的，相 对a 木，通过体系的适当选取，可以将空间效应的影响降到最低。衡量诱导效应 最佳的两个脂肪酸体系如下，其中y 是取代基。 1 4 1 2 共轭离域效应( r e s o n a n c ee f f e c t ) 10 第一学绪论 共轭效应是指通过玎体系使电子离域带来的稳定化作用。由于对任何取代 基团，诱导效应总是存在的，因此难以找到一个体系只用来对取代基的共轭效应 进行定量描述。通常采用的是问接方法，通过h a m m e t t 对位取代常数和诱导效 应常数求得取代基的共轭效应常数，如下式： 6 r = g p 。o i 这适用于当取代基和反应中心没有加强共轭效应的体系。而当加强共轭效应存在 时，h a m m e t t 对位取代基常数要替换为矿( 当活性中心是强电子受体时) 或 者矿( 当活性中心是强电子给体时) 。相应的共轭取代基常数为 o + r = o + 一o i o r = o 。一o i 各情况可总结于图1 1 3 ： 取代基常数 f i r o + r o r z 为反应中心 yy 无增强苁轭效应簦黼 图1 1 3 共轭效应取代基常数适用范围 1 4 1 3 立体电子效应( s t e r e o e l e c t r o n i ce 腩c t ) 反应中心 强电子给体 立体电子效应是指由化合物分子特定的空间取向，而产生的电子之间相互作 用。立体电子效应取决于特定成键和非键电子对之间的相对立体关系。因此，其 结果是使分子或自由基的某一构象成为优势构象，并产生额外的稳定化作用。顶 端异构效应即属于立体电子效应的一种。例如，对于吡喃环的1 位氧取代基团， 研究显示当氧取代基团位于直立键位置时的构象是较优构象4 5 ，虽然从空间位阻 效应考虑该构象是不稳定的。稳定此构象的因素是环上氧原子的一个电子对轨道 可以和位于直立位置的c o 的a 键的反键轨道之间相互重叠发生电子离域使体 系稳定。如果氧取代基团处于平伏键位置则不会发生超共轭离域作用。 。审y 筠一学绪论 钞 仁浠h 1 4 1 4 推拉电子效应( c a p t o d a t i v ee f f e c t ) 推拉电子效应是指自由基中心同时连接有吸电子取代基和给电子取代基时， 它们的共同影响使得自由基被额外稳定化的作用。取代基团的极性效应和共轭效 应均对推拉电子效应的形成具有重要的作用4 6 。推拉电子效应可以很好的稳定自 由基，在分子中有推拉电子效应的中心极有可能是反应的活性中心。如下反应所 示，由于酰胺的羰基端具有吸电子效应而n 端具有给电子效应，因此同时连接 着这两个基团的碳自由基会被推拉电子效应所稳定，从而更容易发生过氧化反 应。 q 2 h v 1 4 1 5 空间位阻效应( s t e r i ce f f e c t ) 邻近原子基团之间的位阻或范德华排斥对化学键的断裂有着十分重要的影 响。化学键周围大位阻基团的存在，往往导致分子基态能量的升高，造成化学键 易断裂而使分子内张力得到释放，对应的键能会显著减小。常见的高张力分子如 金刚烷类、笼状烃类、立方烷类，其化学键均极易断裂，并同时释放出大量能量 4 7 ，因此这些结构在高能化合物领域有着十分重要的应用。取代基的立体效应可 以由t a f t 立体常数晟衡量，其建立依赖于这样一个假设：酯的酸性水解几乎完 全取决于立体因素。但是，由t a f t 定义的晟无法排除氢的超共轭电子效应的影 响。h a n c o c k 为了对a 一氢的超共轭进行校正，提出修正的立体效应常数矿。 其中。= 层+ 0 3 0 6 ( n h 3 ) ，其中f h 为取代基a 碳上的氢原子个数。除t a f t 立体 常数外，常用的衡量基团的空间效应的参数是v a nd e rw a a l s 参数，它用v a nd e r w a a l s 体积( v w ) 和半径( r 。) 表示基团的实际大小。 1 4 2 取代基对反应活性的影响 1 2 第一带绪论 通过引入各种取代基对化合物结构进行修饰同时研究其相应的反应活性变 化是研究有机物分子结构一活性关系的常用方法。取代基的引入往往通过上述的 一种或几种效应而影响物质的键能进而影响物质的反应活性。下面将叙述常见的 取代基类型对于键能的影响。 1 4 2 1 远程取代基( r e m o t es u b s t i t u e n t ) 引入远程取代基团是化学家改变物质结构，研究物质结构活性的常见方法。 而含有取代芳香基团的化合物是有机化学中数量最为庞大的一类化合物。用y 表示取代基团，x z 表示所研究的键型，其键解离过程可以表示如下： 博x z 垦旦e _ 料x + z y ：问位或对位取代皋 x ：自由基中心z ：离去基团 描述取代基对键能的影响，常常需要先将取代基所带来的能量效应拆分为分 子稳定化能( m o l e c u l es t a b i l i z a t i o ne n e r g yo rm s e ) 和自由基稳定化能( r a d i c a l s t a b i l i z a t i o ne n e r g yo rr s e ) t 两部分4 8 - 5 2 如下所示： 9 x z + y 一y e x - z + 9 x + y 一y 口x + 键能的变化则由m s e 与r s e 之差来描述，即a b d e = t s e = m s e r s e 。 关于大量含远程取代基化合物的分析结果显示4 8 5 0 ，键能取代基常数的h a m m e t t 线性关系并非对于所有的键型都成立。取代基团与分子的稳定化能m s e 有较好 的h a m m e r 线性关系，而对于自由基稳定化能r s e ，这一线性关系往往较差。 此外，随着断裂键型的不同，各稳定化能与取代基性质之间的关系是不同的，受 取代基影响的程度共是不同的。例如，对化合物4 - y c 6 h 4 c h 2 x ，当x = c h 3 ，h ， f 时，其相应的总反应常数p + 为0 6 ，0 6 ，- - 0 2 ，而对于4 - y c 6 h 4 n h 。x ，相应 的反应常数矿为5 0 ，4 6 ，3 0 ，取代基对于n x 键的影响显然要强于c x 键。 1 4 2 2a 取代基 a 取代基是与反应中心原子直接相连接的取代基团，它的影响往往是多种效 应的综合。比如对于c h 3 自由基，r a d o m 5 3 认为a 取代基可以通过四种途径影响 其反应活性：( 1 ) a 取代基为7 【电子受体时，可以通过离域自由基单电子稳定甲基 1 3 第章绪论 自由基；( 2 ) d 取代基为孤对i 包子给体时，通过与自由基单电子形成二二中心三电 子体系共可以稳定甲基自由基；( 3 ) 仅取代基为烷基取代基时，可以通过超共轭 作用稳定甲基自由基：( 4 ) 强诱导效应的a 取代基对缺电子的自由基中心施加吸 电子作用，使e 由基不稳定。 1 4 2 3 偕二取代( g e m i n a ld i s u b s t i t u t i o n ) 中心原子上同时含有两个取代基的化合物称作偕二取代化合物，以x z 为反应 的中心，g 、y 为取代基，偕二取代化合物的通式可表示如下： k b d e k ，x z 一，x + y g g 关于偕二取代基效应的研究，目前主要集中于c h 2 中心”。5 6 和二取代n h 3 上5 7 。对于偕二取代基在化合物分子能量上的影响，常用e s e ( e x t r as u b s t i t u t i o n e f f e c t ) 来描述。对于分子x c h 2 g 和相应自由基x c h g ，e s e 的定义如下： e s e = h 2 9 8 ( x - c h 2 一g ) + h 2 9 8 ( c l i ) h 2 9 8 ( x c h 3 ) - h 2 9 8 ( c h 3 一g ) e s e = h 2 9 8 ( x c h - g ) + h 2 9 8 ( c h 3 ) - h 2 9 8 ( x - c h 2 ) - h 2 9 8 ( c h 2 - g ) e s e 一般不等于0 ，说明第二个取代基对键能的影响不等于其单独存在时对 键能的影n i 句，即取代基y 和g 对键能的影响是不可叠加的。对于偕二取代的化 合物，由于存在着两个取代基团效应之间的相互影响，其能量影响因素要比单取 代时的情况复杂许多。而按照两个取代基的电子性质又有三种可能的情况：两者 均是电子给体；两者均为电子受体；两者中一者为电子给体，另一者为电子受体。 三种情况对分子和相应的自由基的稳定性影响是不同的。以偕二取代甲烷为例， 其变化规律可以大致可总结如下： ( 1 ) 当两个取代基均为电子给体时，对于分子及相应自由基均产生稳定化 作用。这个稳定化作用的产生主要是由超共轭效应5 8 , 5 9 和静电效应的影响导致， 其e s e o 。然而对于自由基，由于饱和共轭效应的存在6 0 ，即自由基单电子与 其中一个电子给体形成共轭后减弱了其与第二个电子给体取代基之l 日j 的共轭作 用。导致的结果是电子在二个取代基之间的离域稳定化作用被削弱，所以对于自 由基，两个取代基显示较弱的稳定化作用。 ( 2 ) 当两个取代基均为电子受体时，对分子及相应的自由基往往有去稳定 化作用。这主要是由于两个取代基所造成的静电排斥作用所致。与上类似，由于 饱和共轭效应的存在，使得生成自由基无法与两个取代基十分有效地共轭，因而 1 4 第章绪论 对于相应的自由基，两个取代基显示出较强的去稳定化作用。 ( 3 ) 当两个取代基一个是电子给体，另一个是电子受体时，往往会稳定分 子及相应的自由基。对于分子而言，稳定化作用是由超共轭效应和静电效应所致， 而对于相应的自由基，由于存在有推拉电子效应( c a p t o d a t i v ee f f e c t ) 6 1 , 6 2 ，往往 导致更加强的稳定化作用。所以对这种情况，无论对分子还是自由基，均有 e s e - p h h 2 ：兰兰i ! ：蚕：置、 7 2 。4 7 n c ，一j 拣h 3 8 9 3 22(：兰ii；!；茎：五、4： 7 2 -4 8 c 。，i 拣h 3 8 5 5 2 3 c：ch3 7 。， 4 9 。：n 淋h 3 8 9 6 v 2 4 ：兰兰晒6 7 85 。皎故跎2 v 2 5 ：孙6 9 95 q 三政蛙3 v , 5 2 第二三章负氯化f 物负氖解：葛能的o n i o n g 4 理论研究 2 6 ：6 9 。 5 2 取冰9 1 5 囟 l f 3 。3 2 取代基效应的影响 对于五元环各个位置的取代基效应实验上前人已经给出较为系统的研究6 ， 本研究主要针对六元环上各个位置上取代基效应进行讨论。由图3 3 我们可以看 出，对于直接连接在二氢吡啶上的吸电子和给电子的取代基对负氢解离能的影响 明显较大，强吸电子基团n 0 2 的作用使负氢解离能增大2 1 6k c a l m o l 。给电子基 团的影响效应较小。连接n 原子的苯环上的取代基改变对负氢解离能机会没有 影响，苯并毗啶中苯环上邻位和对位的取代使负氢解离能有约7 0k c a l m o l 的变 化。 图3 3 吸电子和给电子取代基在不同位置的影响 3 3 3 活性位的c ，n - h 键长和振动频率 为了深入研究导致负氢解离能产生差别的原因我们还列出了活性位的c ， 第二三章负氧化合物负氧解岛能的o n i o n g 4 耻论研究 n h 键键长和振动频率的理论预测值( 表3 4 ) ，并对负氧解离能和c ，n h 键的键长和振动频率做相关性分析。研究发现化合物的负氢解离能与c h 键 或n h 键长成反比关系，虽然线性关系不好，c h 键键长与负氢解离能的相 关系数为0 8 5 0 6 ( 图3 4 ( a )