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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

密度泛函理论研究间硝基苯基吡咯酰胺识别卤素阴离子

采用混合密度泛函B3LYP方法, 在LANL2DZ水平上优化间硝基苯基吡咯酰胺(NPC)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, 吡咯酰胺主体分子识别卤素阴离子是一个自发过程. 识别过程包括阴离子诱导下主体分子构象转变和“活性”构象与阴离子形成氢键两个步骤. 计算表明主体分子复合阴离子过程中, 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NPC-X^－ (X^－＝F^－, Cl^－, Br^－, I^－)中, 以NPC-F^－最稳定, 与文献报道吡咯酰胺主体分子识别卤素阴离子能力的实验结果相一致.     

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.     

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。     

环氧丙基杯[6]-1,4-冠-4聚合物的合成与吸附性能

通过具有稳定锥式构象的杯[6]-1,4-冠-4与环氧氯丙烷反应,再与多乙烯多胺开环聚合,合成了一系列具有稳定构象的新型含氮杯[6]芳烃冠醚聚合物(3a-3c)。并研究了它们对阳离子的吸附性能,结果表明,其吸附选择性较没有稳定构象的类似杯[6]芳烃聚合物好,聚合物3b和3c对Cu^2 表现较好的选择性吸附能力。     

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.     

脲基杯[4]二(9-冠-3)对钠-卤素离子对的识别作用

采用Oniom方法(B3LYP/LANL2DZ∶PM3)对脲基取代的二(9-冠-3)杯[4]芳烃衍生物(H)与离子对Na+X-(X=F-,Cl-,Br-)的包合作用进行了理论研究.在上述体系中存在2种包合方式:一是阴、阳离子在包合物中是分离的,阴离子与主体分子的上沿主要以N—H…X-氢键作用;二是阴、阳离子在包合物中存在明显的离子配对作用,阴离子主要以阳离子的配对作用存在.通过对包合物Na+X-/H的结构参数、自然键轨道(NBO)以及结合能分析可知,第1种包合方式更有利.研究表明脲基取代的二(9-冠-3)杯[4]芳烃衍生物可成为有效的离子对识别受体,研究结果进一步加深了杯芳烃类受体对离子对识别机理的认识,为实验上设计合成新型离子对受体提供了理论依据.     

2,3-二氮杂二环-[2,2,2]-辛-2-烯与卤素分子间电荷转移相互作用的量子化学研究

对2,3-二氮杂二环-[2,2,2]-辛-2-烯 (DBO) 与Cl2、Br2和I2 3种卤素分子形成的s型电荷转移复合物进行了不同方法的理论计算。结果表明, MP2方法结合LanL2DZ*基组可以很好地描述DBO与卤素分子间的相互作用。其中, DBO与I2的结合能为33.6 kJ/mol, 与DBO…Br2的结合能接近, 明显大于DBO…Cl2相应的值。几何结构变化以及布居分析均与这一结果吻合。针对DBO的结构, 对DBO与I2间 形成p型电荷转移复合物以及DBO…(I2)2的可能性进行了理论分析和预测。     

基于Zn（Ⅱ）-甲基氮杂杯[4]吡啶复合物的氨基酸和阴离子识别

甲基氮杂杯[4]吡啶（MACP-4）是具有独特构象和空腔结构的大环主体分子在客体存在的情况下,它可以通过桥连氮原子的自调节作用而调节整个分子的空腔及构象,以实现对客体最大程度的识别作用.MACP-4对Zn^2＋具有选择性识别,无论是在固相还是溶液中,它都可以和Zn^2＋形成稳定的复合物（Zn（Ⅱ）-MACP-4）,结合常数可达5.97（logKs）.本文以Zn（Ⅱ）-MACP-4为主体,研究了其与17种氨基酸以及具有不同几何形状的阴离子的识别行为,结果Zn（Ⅱ）-MACP-4对17种氨基酸均具有不同程度的识别,结合常数最高可达3.97（logKs）,Zn（Ⅱ）-MACP-4对阴离子的识别具有选择性,其中对PF6-的识别作用最强,结合常数可达3.9（logKs）.     

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。     

DFT方法研究基于脲及硫脲衍生物的阴离子受体

采用密度泛函理论(DFT)模拟了两个基于脲和硫脲衍生物的受体分子对卤素阴离子的识别过程.结构优化表明基于脲衍生物的受体分子1最稳定构象为"反反"构象,分子内部形成稳定的C~α-H…O=C分子内氢键;而基于硫脲衍生物的受体分子2,不能形成分子内氢键,最稳定构象为"反顺"构象.受体1、2与卤素阴离子F~-、Cl~-可形成稳定的双氢键复合物,在此过程中,受体2经历了由"反顺"构象到"反反"构象的异构化过程.结构和能量分析表明,1、2受体分子与F~-离子间的氢键强度远大于其与Cl~-离子间的氢键;另一方面,受体2与阴离子间的氢键明显强于受体1,这是由于硫脲基N-H键具有更强的酸性.此外,对受体分子、氢键复合物及去质子化产物的吸收光谱计算结果表明,受体与F~-离子作用可产生明显的吸收光谱红移,而与Cl~-离子的作用对光谱影响较小.     

2-苯基/环己基环十二酮的还原选择性及trans-1,2-二取代环十二烷的构象分析

通过研究2-苯基/环己基环十二酮在不同还原剂和温度下的还原反应证实了2-取代环十二酮的还原反应具有cis-选择性.在此基础上,通过2-取代环十二酮的Na BH4还原反应、1,2-环氧环十二烷的开环反应及cis-2-苯基环十二醇的Mitsunobu反应和水解反应制备了一系列trans-1,2-二取代环十二烷;采用1H NMR、13C NMR、X射线衍射和量子化学计算等方法对其优势构象进行了分析.结果表明,trans-1,2-二取代环十二烷的优势构象为[3333]方形构象,1个取代基位于边碳外向位(Side-exo),另1个位于角碳反向位(Corneranti).cis-2,12-二取代环十二酮的Li Al H4还原产物的X射线衍射分析结果表明,生成的1,2,3-三取代环十二烷保持了环十二烷的[3333]方形构象,2个取代基位于边碳外向位,羟基位于角碳顺向位(Corner-syn),取代基呈现出cis-cis关系.