【摘要】：雙分子親核取代(S_N2)反應(yīng)是有機和生物化學(xué)中重要的反應(yīng)之一。近些年的研究發(fā)現(xiàn),以氮原子為中心的S_N2反應(yīng)(S_N2@N)在致癌作用機理和環(huán)境致癌化合物的形成中起著重要作用。然而相對于已被廣泛研究的以碳為中心的S_N2反應(yīng)(S_N2@C),迄今對S_N2@N反應(yīng)尤其對其反應(yīng)機理的的研究尚存不足。本論文運用計算化學(xué)手段從兩個方面對S_N2@N反應(yīng)的反應(yīng)機理進行研究。一方面以二甲胺(DMA)和氟離子(F~-)與氯胺(NH_2Cl)的S_N2@N反應(yīng)作為研究模型進行理論計算,從現(xiàn)今廣泛使用的24種密度泛函(DFT)方法中篩選出具有較高準(zhǔn)確性的理論計算方法;另一方面,基于選出的計算方法,對陰離子親核試劑F~-和Cl~-以及中性試劑氨氣(NH_3)、甲胺(MA)、DMA、三甲胺(TMA)和藥物雷尼替丁模型(R-Model)與NH_2Cl和NHCl_2發(fā)生的S_N2@N反應(yīng)進行研究。1.親核取代S_N2@N反應(yīng)計算方法的篩選首先,選用27種量子化學(xué)方法探索DMA作為親核試劑與NH_2Cl的S_N2反應(yīng)。以精確的CCSD(T)方法計算出的結(jié)果作為基準(zhǔn),對三大類的24種密度泛函方法進行篩選。研究發(fā)現(xiàn),Hybrid meta-GGA類的DFT方法相對于另兩類的RSH和HybridGGA的方法提供了更為準(zhǔn)確的反應(yīng)活化自由能(ΔG~≠)。還發(fā)現(xiàn)CAM-B3LYP,M05-2X,B1B95,BMK和M06-2X方法是24種DFT方法中計算誤差最小的5種方法。隨后,運用以上5種方法對傳統(tǒng)親核試劑陰離子F~-與NH_2Cl的S_N2反應(yīng)的勢能面進行了研究,主要探討了正面進攻背面離去的翻轉(zhuǎn)路徑(Invernsion channel)、正面進攻正面離去保留路徑(Retention channel)和奪取氫的(Hydrogen transfer)三條反應(yīng)路徑。研究結(jié)果表明,M06-2X方法比其它方法提供相對更精確的反應(yīng)活化自由能結(jié)果。因此,M06-2X方法將用于探索后續(xù)氯胺參與的S_N2反應(yīng)的研究。2.親核取代S_N2@N反應(yīng)機理的理論研究研究中選取了7種親核試劑,包括傳統(tǒng)的陰離子F~-和Cl~-,以及另一類中性親核試劑NH_3、MA、DMA、TMA和藥物雷尼替丁的R-模型,探討它們分別進攻氯胺NH_2Cl和NHCl_2的反應(yīng)路徑。為了與S_N2@C反應(yīng)進行更好的比較,還研究了此7種親核試劑與氯甲烷CH_3Cl和CH_2Cl_2的反應(yīng)。計算結(jié)果表明,除了F~-與NHCl_2的反應(yīng)中是Hydrogen Transfer路徑占主導(dǎo),對于大部分的S_N2反應(yīng),都是Invernsion channel路徑比Retentionchannel路徑容易發(fā)生,在S_N2反應(yīng)中占主導(dǎo)地位。而且還發(fā)現(xiàn)無論是Invernsion還是Retention路徑,陰離子親核試劑相對中性親核試劑更容易與氯胺發(fā)生S_N2反應(yīng)。本研究還發(fā)現(xiàn)對所有親核試劑,S_N2@N反應(yīng)比相應(yīng)的S_N2@C反應(yīng)更容易發(fā)生。比較幾種中性親核試劑胺NH_3,MA,DMA和TMA的反應(yīng)活性,可以發(fā)現(xiàn)隨著甲基個數(shù)的增加,胺的反應(yīng)活性增大。此外,研究還發(fā)現(xiàn)親核試劑的HOMO和氯胺/氯甲烷的LUMO能量差與反應(yīng)活化自由能間具有較好的相關(guān)性。本論文用計算化學(xué)方法探索和完善中性親核試劑與氯胺的S_N2反應(yīng),在24種DFT計算方法中篩選出了計算S_N2@N反應(yīng)的計算精度高且省時的方法,為后續(xù)探索研究S_N2@N反應(yīng)提供理論計算方法的參考,也為進一步深入理解S_N2@N反應(yīng)機理提供了理論基礎(chǔ)。本研究將有助于致癌機制以及環(huán)境致癌物形成的深入了解,對人類健康的維護具有理論意義。
【圖文】：

N，在此期間取得了巨大的進展，特別是在二十世紀(jì)揭示這些反SN2 反應(yīng)機理為（陰離子形式）：Y + RX → RY + X ，其特應(yīng)動力學(xué)的特性（一級反應(yīng)是反應(yīng)速率只與反應(yīng)物濃度有關(guān)，率與親核試劑 Y 和被親核底物 RX 濃度都有關(guān)）。假定觀察學(xué)是通過眾所周知的翻轉(zhuǎn)過渡態(tài)后的反應(yīng)結(jié)果，翻轉(zhuǎn)路徑是指代離核試劑（離去基團）的一個單協(xié)同反應(yīng)步驟。被研究最廣反應(yīng)是鹵化物離子與鹵代甲烷的熱中性的和放熱反應(yīng)：Y + C，其中 X 和 Y 是鹵素。上而言，，傳統(tǒng)的陰離子親核試劑進攻氯胺的 SN2@N 反應(yīng)有兩，以 F 與 NH2Cl 反應(yīng)的勢能面為例，如圖 1-1 所示，該反應(yīng)。翻轉(zhuǎn)路徑是最傳統(tǒng)的一種反應(yīng)路徑，親核試劑 F 正面進攻手性的翻轉(zhuǎn)；而與之相反，另一種稱其為保留路徑，對于親核進攻、正面離去，因此保留了原來的手性。

圖 1-2 消毒處理水中氯胺化作用下[54-55]。Figure 1-2 The mechanism of the NDMA formation from DMA with chloramine in disinfectionwater[54-55]1.3 密度泛函理論方法量子化學(xué)在化學(xué)研究中所起的作用，正隨著計算機計算能力的不斷提高和計算速度的不斷加快而越來越大。隨著量子理論的建立和計算機技術(shù)的發(fā)展,人們希望能夠借助計算機對微觀體系的量子力學(xué)方程進行數(shù)值求解。量子化學(xué)以量子力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，在微觀水平上對化學(xué)反應(yīng)過程中的過渡態(tài)、中間體等進行描述，同時也能得到分子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)等。量子化學(xué)計算方法主要包括從頭算法、半經(jīng)驗法和密度泛函法。量子化學(xué)以量子力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，在微觀水平上對化學(xué)反應(yīng)過程中的過渡態(tài)、中間體等進行描述，同時也能得到分子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)等[58-59]。然而求解量子力學(xué)的基本方程 Schr dinger 方程是極其復(fù)雜的。于是，密度泛函理論方法，即 Density Functional Theory 應(yīng)運而生。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.12

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本文編號：2602786