以氮为中心的S_N2反应机理的理论研究

发布时间：2020-03-27 09:40

【摘要】：双分子亲核取代(S_N2)反应是有机和生物化学中重要的反应之一。近些年的研究发现,以氮原子为中心的S_N2反应(S_N2@N)在致癌作用机理和环境致癌化合物的形成中起着重要作用。然而相对于已被广泛研究的以碳为中心的S_N2反应(S_N2@C),迄今对S_N2@N反应尤其对其反应机理的的研究尚存不足。本论文运用计算化学手段从两个方面对S_N2@N反应的反应机理进行研究。一方面以二甲胺(DMA)和氟离子(F~-)与氯胺(NH_2Cl)的S_N2@N反应作为研究模型进行理论计算,从现今广泛使用的24种密度泛函(DFT)方法中筛选出具有较高准确性的理论计算方法;另一方面,基于选出的计算方法,对阴离子亲核试剂F~-和Cl~-以及中性试剂氨气(NH_3)、甲胺(MA)、DMA、三甲胺(TMA)和药物雷尼替丁模型(R-Model)与NH_2Cl和NHCl_2发生的S_N2@N反应进行研究。1.亲核取代S_N2@N反应计算方法的筛选首先,选用27种量子化学方法探索DMA作为亲核试剂与NH_2Cl的S_N2反应。以精确的CCSD(T)方法计算出的结果作为基准,对三大类的24种密度泛函方法进行筛选。研究发现,Hybrid meta-GGA类的DFT方法相对于另两类的RSH和HybridGGA的方法提供了更为准确的反应活化自由能(ΔG~≠)。还发现CAM-B3LYP,M05-2X,B1B95,BMK和M06-2X方法是24种DFT方法中计算误差最小的5种方法。随后,运用以上5种方法对传统亲核试剂阴离子F~-与NH_2Cl的S_N2反应的势能面进行了研究,主要探讨了正面进攻背面离去的翻转路径(Invernsion channel)、正面进攻正面离去保留路径(Retention channel)和夺取氢的(Hydrogen transfer)三条反应路径。研究结果表明,M06-2X方法比其它方法提供相对更精确的反应活化自由能结果。因此,M06-2X方法将用于探索后续氯胺参与的S_N2反应的研究。2.亲核取代S_N2@N反应机理的理论研究研究中选取了7种亲核试剂,包括传统的阴离子F~-和Cl~-,以及另一类中性亲核试剂NH_3、MA、DMA、TMA和药物雷尼替丁的R-模型,探讨它们分别进攻氯胺NH_2Cl和NHCl_2的反应路径。为了与S_N2@C反应进行更好的比较,还研究了此7种亲核试剂与氯甲烷CH_3Cl和CH_2Cl_2的反应。计算结果表明,除了F~-与NHCl_2的反应中是Hydrogen Transfer路径占主导,对于大部分的S_N2反应,都是Invernsion channel路径比Retentionchannel路径容易发生,在S_N2反应中占主导地位。而且还发现无论是Invernsion还是Retention路径,阴离子亲核试剂相对中性亲核试剂更容易与氯胺发生S_N2反应。本研究还发现对所有亲核试剂,S_N2@N反应比相应的S_N2@C反应更容易发生。比较几种中性亲核试剂胺NH_3,MA,DMA和TMA的反应活性,可以发现随着甲基个数的增加,胺的反应活性增大。此外,研究还发现亲核试剂的HOMO和氯胺/氯甲烷的LUMO能量差与反应活化自由能间具有较好的相关性。本论文用计算化学方法探索和完善中性亲核试剂与氯胺的S_N2反应,在24种DFT计算方法中筛选出了计算S_N2@N反应的计算精度高且省时的方法,为后续探索研究S_N2@N反应提供理论计算方法的参考,也为进一步深入理解S_N2@N反应机理提供了理论基础。本研究将有助于致癌机制以及环境致癌物形成的深入了解,对人类健康的维护具有理论意义。
【图文】：

亲核试剂,亲核,路径,阴离子

N，在此期间取得了巨大的进展，特别是在二十世纪揭示这些反SN2 反应机理为（阴离子形式）：Y + RX → RY + X ，其特应动力学的特性（一级反应是反应速率只与反应物浓度有关，率与亲核试剂 Y 和被亲核底物 RX 浓度都有关）。假定观察学是通过众所周知的翻转过渡态后的反应结果，翻转路径是指代离核试剂（离去基团）的一个单协同反应步骤。被研究最广反应是卤化物离子与卤代甲烷的热中性的和放热反应：Y + C，其中 X 和 Y 是卤素。上而言，，传统的阴离子亲核试剂进攻氯胺的 SN2@N 反应有两，以 F 与 NH2Cl 反应的势能面为例，如图 1-1 所示，该反应。翻转路径是最传统的一种反应路径，亲核试剂 F 正面进攻手性的翻转；而与之相反，另一种称其为保留路径，对于亲核进攻、正面离去，因此保留了原来的手性。

消毒处理,量子化学,量子力学,密度泛函理论方法

图 1-2 消毒处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 密度泛函理论方法量子化学在化学研究中所起的作用，正随着计算机计算能力的不断提高和计算速度的不断加快而越来越大。随着量子理论的建立和计算机技术的发展,人们希望能够借助计算机对微观体系的量子力学方程进行数值求解。量子化学以量子力学作为理论基础，在微观水平上对化学反应过程中的过渡态、中间体等进行描述，同时也能得到分子的电子结构和几何结构等。量子化学计算方法主要包括从头算法、半经验法和密度泛函法。量子化学以量子力学作为理论基础，在微观水平上对化学反应过程中的过渡态、中间体等进行描述，同时也能得到分子的电子结构和几何结构等[58-59]。然而求解量子力学的基本方程 Schr dinger 方程是极其复杂的。于是，密度泛函理论方法，即 Density Functional Theory 应运而生。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.12

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