β-卤素取代对杯[4]吡咯构象及主-客体相互作用的影响II. 密度泛函理论研究

应用密度泛函理论对杯[4]吡咯及卤素取代杯[4]吡咯模型分子的自由主体以及其卤素离子复合物体系进行计算研究. 结果表明, 杯[4]吡咯β位被卤素拉电子基团取代后, 主体分子的构象特征受吡咯单元的偶极影响; β-卤素取代导致了杯[4]吡咯对卤素离子的结合作用增强, 且当β位为氯取代时, 杯[4]吡咯对卤素离子的结合能力最强. 并从振动光谱、NBO电荷布居、相互作用的前线轨道、“活性”构象的偶极矩和Mulliken成键布居等方面阐述β-卤素取代对杯[4]吡咯与卤素离子之间的主-客体相互作用的影响.     

β-卤素取代对杯[4]吡咯构象及主-客体相互作用的影响(Ⅰ)——分子力学/分子动力学研究

通过分子力学/分子动力学模拟,获得4种游离杯[4]吡咯以及杯[4]吡咯-卤素阴离子主-客体复合物的稳定构象,用偶极子模型解释了β位卤素取代对游离杯[4]吡咯稳定构象、杯[4]吡咯-卤素阴离子复合物的结构及其结合能的影响,指出造成这些影响的主要因素是不同卤素取代导致杯[4]吡咯的吡咯环基团偶极大小不同.计算了不同杯[4]吡咯与卤素阴离子的结合能,当杯[4]吡咯β位上的H原子被卤素阴离子取代后,杯[4]吡咯对阴离子的识别能力加强.     

杯[4]吡咯-阴离子体系相互作用的理论研究——杯[4]吡咯-卤素阴离子体系的密度泛函研究

用密度泛函B3LYP/LANL2DZ方法对自由杯[4]吡咯的最低能量构象和卤素阴离子-杯[4]吡咯复合物进行了计算研究.结果表明,杯[4]吡咯与卤素离子能通过彼此间的相互作用形成复合物,并且这种相互作用在本质上应为分子间的氢键相互作用;杯[4]吡咯与卤素阴离子形成的复合物在构型变化、电荷转移、前线轨道及其作用方式、成键布居以及能量和热力学参数等方面均按元素周期律有规律地变化,杯[4]吡咯与卤素阴离子间的相互作用沿元素周期依次减少.     

β-三氰基乙烯取代杯[4]吡咯与阴离子相互作用的密度泛函理论研究

采用密度泛函B3LYP方法对β-三氰基乙烯取代杯[4]吡咯主体分子及其与阴离子(F-、Cl-、CH3COO-、H2PO4-)形成的复合物进行研究。结果表明,β-三氰基乙烯取代杯[4]吡咯可与阴离子以分子间氢键相互作用形成复合物,并且其与阴离子结合能力大小的顺序为F-> CH3COO-> H2PO4-> Cl-,与实验结果基本一致;通过与杯[4]吡咯对比可见,强吸电子取代基的引入增强了主体分子对阴离子的结合能力。本文还从几何构型、振动光谱、NBO分析及前线轨道等方面来阐述β-三氰基乙烯取代杯[4]吡咯与不同阴离子氢键相互作用的本质以及吸电子取代基的引入对杯[4]吡咯与F-和Cl-之间主-客体相互作用的影响。     

杯[4]吡咯在不同溶液中的分子动力学模拟研究

运用分子动力学(MD)模拟方法对杯[4]吡咯与不同溶剂之间的相互作用能、杯[4]吡咯在不同溶液中的构象变化以及杯[4]吡咯与溶剂分子之间的氢键相互作用进行了计算研究.模拟发现,杯[4]吡咯与不同溶剂间的相互作用能受溶剂分子偶极矩和杯[4]吡咯-溶剂分子间氢键相互作用影响.杯[4]吡咯在不同溶液中的构象发生翻转的主导因素是杯[4]吡咯与溶剂分子间形成氢键相互作用,溶剂分子的偶极矩不是杯[4]吡咯发生构象转化的主要因素.     

杯[4]吡咯-卤素、铵离子复合物的理论研究

采用密度泛函理论的M06-2X/6-31G(d, p)方法对杯[4]吡咯(CP)与卤素离子(X^-=F^-, Cl^-, Br^-)及卤素-铵根离子对的各种可能组装体系进行了系统研究. 详细讨论了各体系的结构、结合能、自然键轨道分析(NBO)和Multiwfn波函数分析的情况. 结果显示杯[4]吡咯与卤素阴离子的相互作用主要是氢键, 波函数分析显示在CPCl-和CP-Br-复合物中长程范德华力和空间位阻作用也明显存在. 杯[4]吡咯能与卤素-铵根离子形成稳定的复合物, 主要通过氢键作用、阴-阳离子的静电作用以及阳离子-π相互作用.从理论上探讨了杯[4]吡咯与离子或离子对的2:1组装体系,但相对于1:1组装体系来讲, 2:1体系并不占优势.本文结果进一步表明, 杯[4]吡咯不仅是一种阴离子受体,而且也是一种良好的离子对受体,尤其是对涉及氟离子的客体,更是如此.     

杯[4]二吡咯与卤素阴离子相互作用的密度泛函理论研究

采用密度泛函B3LYP方法, 在6\|31G*/LANL2DZ水平上对杯[4]二吡咯主体分子及其与卤素阴离子形成的复合物进行研究.  结果表明, 杯[4]二吡咯可与卤素阴离子相互作用形成具有较高对称性的复合物, 其8个吡咯NH基团上的H原子均可以和卤素阴离子形成氢键; 杯[4]二吡咯与卤素阴离子结合能力大小的顺序为F- >Cl- >Br- > I-.  振动光谱、 电荷分布以及前线轨道计算结果表明, 杯[4]二吡咯与卤素阴离子相互作用的本质为氢键, 经BSSE校正的结合能与电荷转移程度、 N-H键键长和N-H伸缩振动频率变化呈线性关系.      

带状修饰的杯[4]吡咯对卤素阴离子识别的研究

应用分子力学／分子动力学模拟方法研究了4种带状修饰的杯[4]吡咯对卤素阴离子的识别作用.模拟结果表明, 加入带状修饰链和调节链长可以增强对某种特殊卤素阴离子的识别, 在这个过程中, 卤素阴离子与杯[4]吡咯NH上的氢形成的多氢键使主体分子与阴离子形成稳定复合物, 同时带状修饰链通过改变杯吡咯空腔大小影响主体分子与卤素阴离子的氢键相互作用, 从而调节了对不同阴离子的识别能力.     

杯[4]吡咯与含氧阴离子及其离子对弱相互作用的理论研究

在M06-2X/6-31+G(d,p)计算水平上,对杯[4]吡咯(CP)与3种不同构型的含氧阴离子OH-(C(v)、NO3-(D3h)、ClO4-(Td)形成的组装体系进行了理论研究。比较了各体系的构型、结合能、自然键轨道(NBO),利用多功能波函数软件Multiwfn对相互作用力等进行可视化分析。结果发现,无论主-客体的组装计量比是1∶1还是2∶1,阴离子的构型直接影响组装体系的构型。阴离子空间构型越大、整体电负性越强,越倾向于2∶1复合体系。考虑到杯[4]吡咯是典型的离子对受体,本文还研究了主体与NH4+-阴离子的离子对体系的相互作用。在离子对的组装过程中,由于阴、阳离子间的作用占据了主导,从而减弱了阴离子与主体间氢键作用,无论阴离子构型如何,主体与离子对的组装都倾向于1∶1的作用体系。本文结果对深入理解杯吡咯类受体的离子识别作用本质,拓展该类超分子主体的应用范围具有重要的理论意义。     

密度泛函理论研究DMSO溶剂中邻-二(吡咯-2-甲酰胺基)亚苯与卤素阴离子间的超分子作用

采用混合密度泛函B3LYP方法, 在LANL2DZ水平上优化DMSO溶剂中邻-二(吡咯-2-甲酰胺基)亚苯(PFP)及其卤素阴离子复合物的几何构型, 从几何结构参数、电荷布居、前线轨道、结合能以及热力学参数等角度探讨复合物形成过程中主体分子的构象变化以及主客体间的超分子作用. 研究结果表明, 邻-二(吡咯-2-甲酰胺基)亚苯识别卤素阴离子是一个自发过程. 复合阴离子过程中, 两者的前线轨道发生作用, 电子容易从卤素阴离子的HOMO向主体分子的LUMO转移. 在所形成的四种复合物PFP:X^－(X^－＝F^－, Cl^－, Br^－, I^－)中, 以PFP:F^－最稳定, 与文献报道邻-二(吡咯-2-甲酰胺基)亚苯识别卤素阴离子能力的实验结果相一致. 设计合成含多个吡咯酰胺基团、并能形成合适“杯口”大小的主体化合物, 将增强对卤素阴离子的识别能力.     

3-取代-4-氧-3H-咪唑并[5,1-d][1,2,3,5]四嗪-8-羧酸衍生物抗癌活性的构效关系

采用量子化学和分子力学方法研究3-取代-4-氧-3H-咪唑并[5,1-d] [1,2,3,5]四嗪-8-羧酸衍生物分子结构与抗癌活性的关系.结果表明,3-取代-4-氧-3H-咪唑并[5,1-d] [1,2,3,5]四嗪-8-羧酸衍生物抗癌活性与分子疏水性参数logP、8位取代基R1上的净电荷等因素有关,可通过向8位引入带正电荷取代基的办法来提高先导化合物的抗癌活性.     

α-单取代环十二酮构象转换的溶剂效应和温度效应

利用1H NMR技术研究了α-单取代环十二酮的α-边外取代[3333]-2-酮构象(A)和α-角顺取代[3333]-2-酮构象(B)相互转换的溶剂效应和温度效应.结果显示,一般情况下随着溶剂极性的增加,构象B的含量增加,这可以解释为构象B较构象A有较大的偶极矩.当分子中的取代基能与羰基形成分子内氢键时,情况则相反,随着溶剂极性的增加,构象B的含量降低,这可以解释为构象B的分子内氢键的减弱.结果还显示,温度的升高有利于两个构象的相互转换而达到新的平衡.     

氮杂杯[2]-间/对-芳烃[2]三嗪与RDX氢键作用理论研究

利用MP2和mPWPW91方法,在6-311G**和6-311++G**基组水平上研究了RDX分别与硝基、氨基和迭氮基取代的氮杂杯[2]-间-芳烃[2]三嗪和氮杂杯[2]-对-芳烃[2]三嗪形成的分子间氢键相互作用,并借助自然键轨道(NBO)和分子中的原子(AIM)理论揭示了氢键的本质.结果表明,氮杂杯[2]-间-芳烃[2]三嗪复合物中氢键主要发生在RDX与三嗪环及其取代基之间;氮杂杯[2]-对-芳烃[2]三嗪复合物中氢键主要发生在RDX与杯芳烃环及其取代基之间.分子间相互作用能在-18.82~-40.62kJ/mol之间;经基组叠加误差(BSSE)校正后,相互作用能顺序为e>f≈b>a>c>d和e′>b′>f′>a′>d′>c′.两类复合物中,氨基取代的复合物分子间氢键强于硝基或叠氮基复合物分子间氢键,氨基氮杂杯[2]-对-芳烃[2]三嗪与RDX形成的氢键最强,有望作为降低火炸药感度、进行火炸药废水处理的候选物.为获得稳定性较强的RDX-氨基氮杂杯芳烃超分子炸药,应该选取介电常数较大的溶剂.     

2-(1,11-十一亚甲基)-5-取代亚胺基-Δ~3-1,3,4-噻二唑啉的构象

用NMR分子力学计算和单晶X射线衍射方法对 2 (1,11 十一亚甲基 ) 5 取代亚胺基 Δ3 1,3,4 噻二唑啉 (1)的构象进行了分析 ,结果表明 ,标题化合物 1的十二员环采取D4 对称的 [3333]构象 ,噻二唑啉环与十二员环近似平面几乎垂直构成螺环 ,位于 [3333]构象的一个角碳 ,亚胺基上的取代基对母体十二员环骨架的构象及13 CNMR化学位移影响很小     

5,17——二(N-叔丁基-N-羟胺基)-11,23-二溴-25,26,27,28-四甲氧基杯[4]芳烃的合成、晶体结构及其氧化物的ESR研究

由对-四溴-四甲氧基杯[4]芳烃(Ⅰ)制备得到5,17-二(M叔丁基-M羟胺基)-11,23-二溴-25,26,27,28-四甲氧基杯[4]芳烃(Ⅱ),并对其进行了红外光谱、核磁氢谱、质谱、晶体结构的研究.X射线衍射晶体结构分析表明化合物II为部分锥型构象.晶体属单斜晶系C2/c空间群.a=3.225 5(7)nm,b=1.439 4(3)nm,c=2.175 3(5)nm,β=110.210(9)°,V=9.478(3)nm3,Z=8,R=0.073 8.对位有羟胺基取代的两个苯环为顺式,分子内不同羟胺基之间的N…H接触距离分别为0.201 5 nm和0.190 6 nm,对应的 N…H-O分别为153.5°和150.3°,表明存在着分子内氢键N…H-O.电子顺磁共振(ESR)实验表明空气中化合物Ⅱ在溶液里容易氧化生成相应的双氮氧自由基,分子内存在磁偶极相互作用和较弱的自旋交换相互作用.     

对叔丁基杯[6]-1,4-2,5-双冠醚的合成、构象及其对阳离子的识别性能研究

采用分步法高产率地合成了系列新型对叔丁基杯[6]双冠醚，并得到了除杯式与1，2，3－交替式构象之外的第3种稳定构象的杯[6]衍生物：1，4－交替式杯[6]-1,4-2,5-双冠醚。研究了它们对碱金属及脂肪胺离子的两相萃取性能，发现杯[6]双冠醚具有与杯[6]单冠醚不同的识别能力。     

α-单取代环十二酮构象间相互转换的理论研究

在CVFF力场下,DMSO氛围中,通过分子动力学常温模拟研究α-单取代环十二酮的构象,常温优势构象为α-边外取代[3333]-2-酮,环骨架为[3333],羰基位于C2位置,取代基位于α-边外向位.动态分析带有不同取代基的α角顺取代和α-边外取代[3333]-2-酮构象的相互转化的结果表明,它们的转换路径基本一致,转换能垒随着取代基体积的增大而升高.氯和溴取代环十二酮转换过程中最高能垒分别为43.9和44.3kJ/mol,相应的构象为α-边外取代[31233]-2-酮;甲基、乙基和叔丁基取代环十二酮最高转换能垒达53.9kJ/mol,相应的构象为α-边外取代[31233]-2-酮;存在活泼质子的氨基和羟基环十二酮转换能垒中最高能量构象为α-边外取代[31323]-1-酮;苯硫基和苄基取代环十二酮除出现α-边外取代[3333]-2-酮构象外,转换过程中还出现了较α-角顺取代[3333]-2-酮构象更稳定的α-边外取代[4233]-3-酮构象.     

2－（1，11－十一亚甲基）－5－取代亚胺基－△^3-1,3,4-噻二唑啉的构象

用NMR分子力学计算和单晶X射线衍射的方法对2-(1，11-十一亚甲基)-5-取代 亚胺基-△^3-1，3，4-噻二唑啉（1）的构象进行了分析，结果表明，标题化合物 1的十二员环采取D4对称的[3333]构象，噻二唑啉环与十二员环近似平面几乎垂直 构成螺环，位于[3333]构象的一个角碳，亚胺基上的取代基对母体十二员环内架的 构象及^13C NMR化学位移影响极小。     

α-单取代环十二酮构象的研究

利用分子力学计算，单晶X射线分析和~1H NMR技术研究了α-单取代环十二酮 的构象。结果表明，它们的优势构象的环骨架仍是[3333]构象，而羰基则在2-C位 置上。在晶体中，它们的优势构象为α－角顺取代[3333]-2-酮构象，而在溶液中 则取α－角顺取代和α－边外取代[3333]-2-酮两种构象，且两种构象处于动力学 平衡之中，以α－边外取代[3333]-2-酮构象占优势。     

卤代二苯乙烯体系中卤-卤相互作用的调控及其对分子聚集态和发光特性的影响

卤素-卤素(X···X)相互作用是一类强的分子间相互作用,这种非共价键分子间的相互作用对有机π分子的聚集态结构和光电特性具有重要的影响.本文通过在反式二苯乙烯类化合物骨架上引入给电子基团甲硫基和调节卤素取代基的位置,实现了分子间卤素-卤素相互作用的可控构筑,并进一步研究了卤素-卤素相互作用对卤代反式二苯乙烯类分子聚集态和发光特性的影响.该实验结果为调控有机π分子聚集态结构,获得高性能有机光电材料提供了新思路.