3-甲基环状乙撑磷酸二酯醇解的反应途径的理论研究

采用密度泛函理论和MP2方法研究了3-甲基环状乙撑磷酸二酯(MEP)与甲醇的反应途径:(Ⅰ)CH3O-+MEP;(Ⅱ)CH3OH+MEP;(Ⅲ)CH3O-+HMEP(MEP的质子化形式);(Ⅳ)CH3OH+HMEP.在B3LYP/6-31++G(d,p)水平上优化了四条反应途径的反应物、中间体、过渡态及产物的几何构型,并在同水平上进行了自然电荷分析,然后在MP2/6-311++G(3df,2p)水平上计算了各驻点的单点能.采用极化连续介质模型(PCM)研究了各途径在苯、甲醇和水溶液中的溶剂化效应.计算结果表明,溶剂效应使途径(Ⅰ)的自由能垒降低,而使途径(Ⅱ)和(Ⅳ)的决速步骤的自由能垒升高.在气相和苯溶剂中途径(Ⅳ)是反应的优势途径,在甲醇和水溶剂中途径(Ⅰ)则成为最优.研究结果进一步表明实验条件下途径(Ⅱ)与(Ⅳ)对总醇解反应的贡献相当.     

5-醛基-1,2,3-三唑互变异构的理论研究

用密度泛函B3LYP/6-311++G**方法,对气相和水相中的5-醛基-1,2,3-三唑互变异构体进行了几何构型全自由度优化,获得了它们在气相和水相中的几何结构和电子结构.讨论了不同的取代基团和溶剂化效应对互变异构体的几何结构、能量以及互变异构反应活化能的影响.并进一步研究了N1-H、N2-H和N3-H型三唑之间的互变异构机理:(a)分子内质子转移;(b)水助质子转移.计算结果表明,途径(b)所需要的活化能较小,平均为101.31kJ/mol,途径(a)为211.70kJ/mol.     

吡啶与苄基溴衍生物Menschutkin反应的溶剂和取代基效应的理论研究

利用MP2/6-311++G(d, p)//B3LYP/6-31+G(d, p)方法和SMD溶剂化模型研究苄基溴及其衍生物和吡啶在气相和乙腈溶剂中的Menschutkin反应机理,对其主要的两条反应途径:吡啶由溴的异侧或同侧进攻,进行理论计算,解释乙腈溶剂及取代基对反应机理的影响。计算结果表明,在气相和乙腈中,吡啶从苄基溴的异侧进攻时为反应的优势途径,而且在乙腈中比在气相中更容易发生反应;该反应是一个协同非同步的反应;苄基溴及其衍生物随着取代基性质、位置不同,与吡啶在气相与溶剂中发生的反应机理相似;在乙腈中,取代基影响反应速率变化的趋势与实验结果相吻合。     

CHF_3与O(~3P)反应机理的理论研究

采用从头算MP2/6-311G(d,p)方法研究了CHF3与O(3 P)的反应机理,优化了所有反应物、产物和过渡态的几何构型,并通过振动频率分析和内禀反应坐标(IRC)方法确证了过渡态的真实性.在QCISD(T)/6-311++G(d,p)水平上精确计算了各反应物种的单点能.结果表明,标题反应共存在4类反应,分别为抽提氢反应(R1)、抽提氟反应(R2),消氟化氢反应(R3)和消氢反应(R4),在QCISD(T)/6-311++G(d,p)//MP2/6-311G(d,p)水平上,R1,R2,R3和R4反应的能垒分别为70.7,378.7,294.7和307.2kJ·mol-1,抽提氢反应为主反应通道.     

单重态H_2N=B:→HNBH重排反应的理论研究

用量子化学中的从头算方法, 在MP2/6-311++G(d,p)水平上研究了单重态H_2N=B→HNBH重排反应的机理。结果表明, 该重排反应经过一个三元环过渡态。根据计算结果，初步讨论了该反应的热力学及动力学函数。     

N,N-二(对氟苄基)-N'-(2',3'-二脱氧-3'-硫代胞苷)甲脒水解反应的理论研究

采用密度泛函理论方法B3LYP/6-31++G(d,p)//B3LYP/6-31G(d,p)和导体极化连续模型B3LYP/CPCM/6-31++G(d,p)方法对苯环对位上有F取代的N,N-二(对氟苄基)-N′-(2′,3′-二脱氧-3′-硫代胞苷)甲脒(FBFA-3TC)水解反应机理和溶剂效应进行了研究. 考虑两条可能反应途径: 水分子首先进攻C=N双键的途径(Path A)和先进攻C-N单键的途径(Path B). 计算结果表明, 气相和水中两条途径的第一步都是速率控制步骤, Path A 比Path B 更有利. 对优势途径Path A的第二步反应的进一步研究发现, 中间体的羟基H原子转移到双键N比单键N更容易, 从而形成2′,3′-二脱氧-3′-硫代胞苷(3TC)的最终水解产物.     

高级量子化学从头计算法研究N2和H2O分子间相互作用

在MP2/6-311++G(3d,3p)电子相关校正水平上,对N₂和H₂O分子间可能存在的氢键复合物进行全自由度能量梯度优化,发现了一个接近于直线的弱氢键总能量极小结构(1),进一步在高级电子相关校正的MP4SDTQ和CCSD(T)水平,用6-311++G(3d,3p)基组加上(3s3p2d1f)键函数,用MP4和CCSD(T)计算的结构1的结合能分别为-5.061kJ/mol和-4.715kJ/mol.     

甲基重氮烷阳离子(CH_3N_2~ )与DNA碱基的甲基化反应

在B3LYP/6-31G**和MP2/6-311G**水平上,计算了终致癌物甲基重氮烷阳离子(CH3N2 )在气相和水溶剂中与四种DNA碱基上10个亲核位发生甲基化过程的反应机理.结果表明:在气相和溶剂中,终致癌物CH3N2 对碱基上相应亲核位的甲基化反应过程,活化能都比较小(<33.5kJ/mol),是容易进行的放热反应.所以,二甲基亚硝胺一旦形成终致癌物,则很容易与碱基形成癌变物.     

H3PO→H2POH异构化反应的直接动力学研究

在QCISD(T)/6-311C++G(2df,2pd)//QCISD/6-311C++G(d,p)+ZPE水平上,对H3PO的异构化反应H3PO→(1)H2POH(trans)→(2)H2POH(cis)进行了计算研究.结果表明,H原子由P原子向O原子迁移反应(1)的能垒为250.0kJ/mol,是反应速率控制步骤,而O_H键绕P_O键旋转的构型转化反应(2)的能垒只为12.3kJ/mol.利用经典过渡态理论(TST)与变分过渡态理论(CVT)分别计算了反应(1)在200～2000K温度区间内的速率常数kTST和kCVT,获得了经小曲率隧道效应(SCT)及Eckart模型校正后的速率常数kTST/Eckart和kCVT/SCT.对只涉及H原子迁移的反应(1),量子力学隧道效应的影响在低温段非常明显,而变分效应对反应速率常数的影响很小.     

L-缬氨酸旋光异构的两种光反应可能途径

利用密度泛函理论(DFT)和从头算分子轨道理论对L-缬氨酸的旋光异构光反应机理进行了研究. 分别用B3LYP和MP2方法在6-311++G(d, p)基组级别上全优化得到了S₀和T₁态反应路径上的反应物、产物、中间体以及过渡态结构的几何构型, 给出了反应能垒, 利用含时密度泛函理论(TD-DFT)中的B3LYP/6-311++G(d, p)方法优化得到了S₁态反应路径上的平衡态几何构型. 通过分析反应途径上各个驻点的几何构型特征, 确定了L-缬氨酸在激发态可能通过手性碳上的氢原子以羰基氧或氨基氮为中转媒介发生质子迁移来完成旋光异构反应. 进一步用自洽反应场理论中的极化连续模型(PCM)方法探讨了溶剂化效应对旋光异构反应机理的影响.     

CH3F与C2H3反应机理的理论研究

采用密度泛函B3LYP/6-311G(d,p)方法对CH3F与C2H3的反应体系进行了理论研究,获得了反应的势能面信息及可能的微观机理.在QCISD(T)/6-311++G(d,p)水平上精确计算了各反应物种的单点能.结果表明,除抽提氢反应外,标题反应还存在抽提氟(R1)、消氟化氢(R2)、消氢(R3)和自由基形成(R4)四类反应.在QCISD(T)/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311G(d,p)水平上,R1,R2,R3和R4反应的能垒分别是163.9,152.2,209.8和224.2kJ·mol-1,相应反应能为-56.6,-164.3,-2.7和-156.0kJ·mol-1,所有反应均放热,为热力学允许的反应.     

3-甲基环状乙撑磷酸二酯醇解的反应途径研究

采用密度泛函理论和MP2方法研究了3-甲基环状乙撑磷酸二酯(MEP)与甲醇的反应途径: (I) CH3O－＋MEP; (II) CH3OH＋MEP; (III) CH3O－＋HMEP (MEP的质子化形式); (IV) CH3OH＋HMEP. 在B3LYP/6-31＋＋G(d,p)水平上优化了四条反应途径的反应物、中间体、过渡态及产物的几何构型, 并在同水平上进行了自然电荷分析, 然后在MP2/6-311＋＋G(3df,2p)水平上计算了各驻点的单点能. 采用极化连续介质模型(PCM)研究了各途径在苯、甲醇和水溶液中的溶剂化效应. 计算结果表明, 溶剂效应使途径(I)的自由能垒降低, 而使途径(II)和(IV)的决速步骤的自由能垒升高. 在气相和苯溶剂中途径(IV)是反应的优势途径, 在甲醇和水溶剂中途径(I)则成为最优. 研究结果进一步表明实验条件下途径(II)与(IV)对总醇解反应的贡献相当.     

亚硝基化合物与甲醛的反应机理和溶剂效应的理论研究

采用密度泛函方法B3LYP/6-311++G(d,p)研究了亚硝基苯C₆H₅-NO和2-甲基-2-亚硝基丙烷(CH₃)₃C-NO与甲醛分别在气相和溶剂中的反应机理. 在气相中均找到两条反应通道, 即协同机理和分步机理, 均生成实验产物氧肟酸, 而且分步机理均为优势通道; 除2-甲基-2-亚硝基丙烷的反应没有协同途径外, 在溶剂中反应机理与气相中的类似. 采用导电极化连续介质模型分别研究了在乙腈与水溶液中反应的溶剂化效应, 发现这些溶剂可降低反应的活化能, 但降低的程度比较小, 反应速率变化不大.     

过充电保护添加剂1,4-二甲氧基苯的反应机理

采用密度泛函理论(B3LYP/6-311+G(d,p))和MP2/6-311+G(d,p)方法,研究锂离子电池过充电保护添加剂1,4-二甲氧基苯(p-DMOB)的作用机理.计算结果表明,在过充时,p-DMOB优先于溶剂分子(乙基甲基碳酸酯、二甲基碳酸酯、碳酸乙酯)发生氧化反应.用B3LYP和MP2计算所得的p-DMOB理论氧化电位接近,分别为4.12和4.05V(vsLi/Li+).p-DMOB氧化时首先失去一个电子,生成p-DMOB+·正离子自由基,用B3LYP和MP2方法计算所得的相应能量变化分别为701.24和728.27kJ·mol-1.失去电子后苯环的共轭性受到破坏,随后p-DMOB+·苯环上的C―H键发生断裂,失去H+并形成p-DMOB·自由基.用B3LYP和MP2方法计算所得的相应能量变化分别为1349.78和1810.99kJ·mol-1.p-DMOB·自由基很不稳定,会在电极表面发生聚合反应形成聚合物膜,用B3LYP和MP2方法计算所得的相应能量变化分别为-553.37和-1331.20kJ·mol-1.     

N,N-二（对氟苄基）-N′-（2′,3′-二脱氧-3′-硫代胞苷）甲脒水解反应的理论研究

采用密度泛函理论方法B3LYP/6-31 G(d,p)//B3LYP/6-31G(d,p)和导体极化连续模型B3LYP/CPCM/6-31 G(d,p)方法对苯环对位上有F取代的N,N-二(对氟苄基)-N′-(2′,3′-二脱氧-3′-硫代胞苷)甲脒(FBFA-3TC)水解反应机理和溶剂效应进行了研究.考虑两条可能反应途径:水分子首先进攻CN双键的途径(PathA)和先进攻C—N单键的途径(PathB).计算结果表明,气相和水中两条途径的第一步都是速率控制步骤,PathA比PathB更有利.对优势途径PathA的第二步反应的进一步研究发现,中间体的羟基H原子转移到双键N比单键N更容易,从而形成2′,3′-二脱氧-3′-硫代胞苷(3TC)的最终水解产物.     

水催化2个酯分子相互转化反应的理论研究

从印楝植物内生真菌Phomopsis sp.培养液中分离得到的4-acetoxymultiplolide(1)和1-acetoxymultiplo-lide(2)在室温及水存在下能够相互转化. 提出二者相互转化最可能的4个途径(机理A~D). 在B3LYP/6-311+G(d,p)水平进行气相条件的优化, 结果表明, 无水催化的机理A中TS1和TS2的活化能均显著大于120 kJ/mol, 2个分子水催化的机理D中TS1和TS2的活化能则显著降低. 计算结果显示水的溶剂化效应能进一步降低机理D中TS1和TS2的活化能. 在MP2/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-311+G(d,p)水平计算了单点能, 得到在水相时机理D中TS1和TS2的活化能分别为106.24和107.37 kJ/mol. 因此, 机理D是化合物1 和2在室温下及水存在时相互转化最可能的途径, 该途径是一种特殊的水催化分子内酯的醇解反应, 也是一种经典的亲核加成反应, 通过一种新的叔醇中间体实现.     

己烷催化异构化反应中氢溢流机理的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311++ G**//B3LYP/6-311G*水平下, 对正己烷(C6H14)催化异构化反应中的氢溢流机理进行了理论探讨. 通过对振动模式分析和内禀反应坐标(IRC)计算确认了各可能反应的过渡态. 同时在MP2/6-311++G**水平上对各驻点做了单点能计算和零点能校正, 计算出各反应通道的活化能, 进而确定了该反应的主反应通道, 其活化能为42.52 kJ/mol.     

硝基甲烷异构化反应势能面的ab initio研究

在B3LYP/6-311+ +G(2d,2p)水平上,优化得到硝基甲烷CH3NO2的10种异构体和23个异构化反应过渡态,并用G2MP2方法进行了单点能计算.根据计算得到的G2MP2相对能量,探讨了CH3NO2势能面上异构化反应的微观机理.研究表明,反应初始阶段的CH3NO2异构化过程具有较高的能垒,其中CH3NO2的两个主要异构化反应通道,即CH3NO2→CH3ONO和CH3NO2→CH2N(O)OH的活化能分别为270.3和267.8 kJ/mol,均高于CH3NO2的C-N键离解能.因而,从动力学角度考虑, CH3NO2的异构化反应较为不利.     

CH3CH2S自由基H迁移异构化及裂解反应的理论研究

采用密度泛函方法(B3LYP)在6-311+G(d,p)基组水平上研究了CH3CH2S自由基H迁移异构化以及裂解反应的微观动力学机理. 在QCISD(T)/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d,p)+ZPE水平上进行了单点能校正. 利用经典过渡态理论(TST)与变分过渡态理论(CVT)分别计算了在200~2000 K温度区间内的速率常数kTST和kCVT, 同时获得了经小曲率隧道效应模型(SCT)校正后的速率常数kCVT/SCT. 研究结果表明, CH3CH2S自由基1,2-H迁移、1,3-H迁移、C—C键断裂和β-C—H键断裂反应的势垒ΔE≠分别为149.74, 144.34, 168.79和198.29 kJ/mol. 当温度低于800 K时, 主要发生1,2-H迁移反应, 高于1800 K时, 主要表现为C—C键断裂反应, 在1300—1800 K范围内, 1,3-H迁移反应是优势通道, 在计算的整个温度段内, β-C—H键断裂反应可以忽略.     

基于量子化学计算氯霉素降解机理的研究

采用密度泛函理论(DFT)和二阶微扰理论(MP2)对氯霉素分子降解的微观机理进行了研究。在B3PW91/6-311++G(d,p)和MP2(full)/6-311++G(d,p)水平上,优化了降解过程中所有的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,并且通过振动频率分析和内禀反应坐标(IRC)跟踪验证了过渡态的正确性。计算所得的成键临界点电荷密度变化也确认了该降解的过程,并找到了五条降解通道。其中生成4-硝基苯甲酸的通道2活化能垒最低,在该降解体系中是较易发生的一条通道。计算结果与试验结果一致,找到降解的速控步骤,对研究合成氯霉素光解抑制剂有重要的指导作用。