分子容器内若干典型化学过程的理论研究

论文摘要

具有特殊空腔结构的分子或者分子组装体可以被称作分子容器。分子容器的内相环境不同于常规溶剂及本体环境,因此在催化化学反应、稳定活性中间体、选择性识别等方面显示了广阔的应用前景。近年来,有关分子容器化合物的合成及其包结性能的研究受到了实验和理论人员越来越多的关注。本文采用量子化学理论计算方法对分子容器内相若干典型的化学过程进行了研究,主要讨论了包结状态下各过程进行的详细历程,并深入探讨了沿反应路径（或构象转化路径）主客体分子之间的相互适应性情况。主要研究内容可概括如下:1、采用AM1半经验优化和B3LYP/6-31G*单点能校正方法对苯基卡宾在Cram分子容器中的重排反应进行了研究,发现与自由状态下苯基卡宾的重排反应过程相比,分子容器的包结作用没有从根本上改变重排反应的机理。然而,当苯基卡宾重排反应被限制在分子容器内相中进行时,速率控制步骤的活化势垒下降了5.2kcal/mol,降低值约占自由状态下该步势垒的20%,表明分子容器的参与有助于重排反应的进行。包结状态下的重排反应机理与自由状态下的基本类似,因此,实验上至今没有得到证实的双环[4.1.0]庚三烯在分子容器的保护下依然难以检测到;Cram分子容器对环庚四烯的室温稳定作用应该主要来自分子容器的屏蔽作用。2、采用与苯基卡宾体系同样的方法研究了对甲氧基苯基卡宾在Cram分子容器中的重排反应。研究结果表明,甲氧基的引入并没有从根本上影响重排反应的机理,对甲氧基苯基卡宾重排反应经历的过程与苯基卡宾体系基本一致。与自由状态下对甲氧基苯基卡宾重排反应的活化势垒相比,包结状态下速率控制步骤的活化势垒降低了2.5kcal/mol,降低值约占自由状态对应活化势垒的8.5%,表明分子容器的包结作用有助于重排反应的进行;而从中间体到重排反应产物过程的活化势垒则稍微升高。3、采用ONIOM（B3LYP/6-31G*:AM1）和ONIOM（B971/6-31:AM1）分层优化方法以及B3LYP/6-31G**和B971/6-31G**单点能校正方法,对Cram分子容器中1-双环[2.2.1]庚基偶氮甲烷CN2H基团的内旋转势能面进行了系统研究。结果发现在包结状态下,对应于自由状态下CN2H基团内旋转势垒最大的转化过程的势垒增加了2kcal/mol,该值超过了自由状态下的最大转化势垒。一些在自由状态下占优势的构象在分子容器中转化为了能量上不利的构象,而一些在自由状态下能量不利的构象在分子容器的影响下成为了稳定的构象。这些结果表明,Cram分子容器能够对庚基偶氮甲烷的不同异构体表现出构象选择性,以实现适宜的主客体构象匹配性。4、采用ONIOM（B3LYP/6-31G*:AM1）分层优化方法以及B3LYP/6-31G**单点能校正方法对Rebek分子容器中甲酰胺异构化反应过程进行了理论研究。所得结果表明,Rebek分子容器只能包结一个甲酰胺分子或者一个甲酰胺分子和一个水分子。因此,在Rebek分子容器中,仅存在无催化异构及单水分子催化两种异构化机理,甲酰胺自催化和多水分子催化由于分子容器内相尺寸的限制作用不能发生。甲酰胺分子被Rebek分子容器包结后,无论异构化反应是以无催化机理还是单水分子催化机理进行,异构化势垒都有所增加。包结状态下无催化异构过程的势垒比自由状态增加了5.7kcal/mol,占自由状态下无催化势垒的12%;包结状态下单水分子催化异构过程的势垒比自由状态增加了3.0kcal/mol,占自由状态下单水分子催化势垒的16%。这表明,Rebek分子容器能够通过空间和电子效应在一定程度上对内相异构化反应起到调制作用。但由于这种作用相对较弱,只能使甲酰胺的异构化过程变得比自由状态稍微困难,并没有从根本上改变异构化反应的机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 分子容器概念的出现
• 1.3 分子容器的主要类型与结构特点
• 1.3.1 基于共价键而构建的分子容器
• 1.3.2 基于分子间/内氢键而构建的分子容器
• 1.3.3 基于金属配位键而构建的分子容器
• 1.4 分子容器的性能特点
• 1.4.1 调控化学反应
• 1.4.2 选择性识别分离
• 1.4.3 稳定活性物种
• 1.5 本课题的目的意义、研究体系及方案
• 1.5.1 本课题的目的与意义
• 1.5.2 本课题的研究体系及方案
• 第二章 理论基础
• 2.1 分子轨道理论的三个近似
• 2.2 半经验分子轨道AM1算法
• 2.3 密度泛函理论
• 2.3.1 Thoms-Fermi模型
• 2.3.2 Hohenberg-Kohn定理
• 2.3.3 局域密度近似
• 2.3.4 HF/DFT杂化交换相关泛函
• 2.4 内禀反应坐标（IRC）理论
• 2.4.1 内禀反应坐标的定义
• 2.4.2 内禀反应坐标的性质
• 2.5 基函数重叠误差和均衡校正法
• 2.6 杂化ONIOM分层算法的基本原理
• 第三章 苯基卡宾在Cram分子容器中重排反应的理论研究
• 3.1 前言
• 3.2 研究方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 两种状态下客体分子的结构和Mulliken电荷分布比较
• 3.3.2 重排反应进行的过程与活化势垒
• 3.3.3 主客体分子之间的相互作用能和分子容器的变形能沿反应路径的变化情况
• 3.3.4 双环[4.1.0]庚三烯和环庚四烯的红外光谱图
• 3.4 本章小结
• 第四章 对甲氧基苯基卡宾在Cram分子容器中重排反应的理论研究
• 4.1 前言
• 4.2 研究方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 包结前后客体分子的结构和Mulliken电荷分布结果比较
• 4.3.2 重排反应的过程与能量结果
• 4.3.3 主客体间的相互作用能和分子容器的变形能
• 4.3.4 双环[4.1.0]-3-甲氧基-庚三烯和1-甲氧基环庚四烯的红外光谱图
• 4.4 本章结论
• 第五章 1-双环[2.2.1]庚基偶氮甲烷CN2H基团在Cram分子容器中内旋转势能面的理论研究
• 5.1 前言
• 5.2 研究方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 包结后客体分子和容器分子构象的变化
• 5.3.2 自由及包结状态下庚基偶氮甲烷CN2H基团的内旋转势能面结果分析
• 5.3.3 势能面扫描路径上主客体分子间的相互作用能和分子容器的变形能
• 5.4 本章小结
• 第六章 甲酰胺在Rebek分子容器中异构化反应的理论研究
• 6.1 前言
• 6.2 研究方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 几何结构分析
• 6.3.2 自由和包结状态下无催化和单水分子催化体系中甲酰胺异构化过程
• 6.4 本章结论
• 第七章 总结论
• 论文的创新性
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书