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含8-羟基喹啉酰腙类希夫碱的合成及其质子转移的理论研究

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第一章 绪论

1.1 酰腙类希夫碱近年来的研究进展

1.2 质子转移简述

1.3 本课题的研究内容及意义

第二章 含8-羟基喹啉酰腙类Schiff碱化合物的合成及表征

2.1 引言

2.2 合成路线

2.3 实验部分

2.3.1 仪器及原料

2.3.2 2-甲酰基-8-羟基喹啉的制备

2.3.3 N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)扁桃酰肼的合成

2.3.4 N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)糠酰肼的合成

2.3.5 N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)扁桃酰肼晶体的培养及晶体结构测定

2.4 结果与讨论

2.4.1 酰腙类Schiff碱的合成与表征

2.4.2 N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)扁桃酰肼的晶体结构

第三章 N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)糠酰肼质子转移的理论研究

3.1. 计算方法

3.2. 结果与讨论

3.2.1 构型优化

3.2.3 质子转移的活化能

3.2.4 质子转移的红外光谱研究

3.2.5 质子转移核磁振动研究

3.2.6 质子转移体系mulliken电荷布居研究

3.3 小结

第四章 N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)糠酰肼酮式-烯醇式互变异构的理论研究

4.1. 计算方法

4.2. 结果与讨论

4.2.1 构型优化

4.2.2 Keto-Enol异构化反应物、过渡态、和产物的几何构型

4.2.3 互变异构的活化能研究

4.2.4 互变异构的红外谱图研究

4.2.5 互变异构核磁共振的研究

4.2.6 互变异构中吉布斯自由能的探究

4.2.7 互变异构的稳定构型及含量分析

4.3. 小结

总结

参考文献

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致谢

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摘要

酰腙类希夫碱是通过醛酮与酰肼缩合形成的(R-CO(S)-NH-N=CH-R)希夫碱,因含有多个配位原子而具有很强的配位能力,有的以酮式构型配位,有的以烯醇式构型配位,可以与金属离子形成结构多样的配合物。很多酰腙类希夫碱及其配合物具有良好的生物活性、催化活性以及抑菌抗癌活性。含8-羟基喹啉结构单元的酰腙类希夫碱,由于8-羟基喹啉单元的引入,不仅增加了反应活性结构单元,而且配位原子增加,使其配位形式更加灵活,配体和配合物的活性更为增强,有很高研究价值和应用价值。本文在设计合成新型8-羟基喹啉酰腙类希夫碱的基础上,测定新配体的晶体结构,利用密度泛函理论计算方法研究了喹啉环上的酚羟基与 N原子之间存在的质子转移,研究了希夫碱酰腙结构(-NH-C=O)存在的酮式-烯醇式的互变异构现象。主要研究内容包括以下几个部分:
  1.设计合成了N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)扁桃酰肼和N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)糠酰肼,用X-射线单晶衍射测定了它们的晶体结构,并用IR、1H NMR进行了表征。其中N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)扁桃酰肼为未见文献报道的新化合物,其晶体结构是单斜晶系,P21/n空间群,在晶体结构中,希夫碱C=N所在平面与喹啉环平面几乎为共平面结构(二面角为1.51°)。
  2.以N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)糠酰肼化合物的晶体结构作为模型,在B3LYP/6-31G(d)水平上对该Schiff碱化合物的构型进行了全自由度优化,对优化后构型的结构参数和红外振动频率与实验测定数据进行了对比分析,结果表明,优化的分子构型与实验测定的晶体结构的结构数据及波谱数据相吻合,说明B3LYP/6-31G(d)计算结果的可靠性。然后对该化合物中酚羟基H和喹啉环N原子间的分子内质子转移、水分子辅助质子转移、甲醇分子辅助质子转移、乙醇分子辅助质子转移和乙酸分子辅助质子转移反应前后的构型进行优化,对反应物、过渡态和产物的键长、键角、红外、NMR等结构和波谱性质以及体系的能量、活化能、mulliken电荷进行了理论计算分析。质子转移反应的理论研究表明,分子内质子转移过程中形成五元环状过渡态;水、甲醇分子、乙醇分子或乙酸分子辅助质子转移过程中,辅助分子的一个羟基参与转移的过程,形成更稳定的七元环过渡态。由于七元环状过渡态氢键作用较五元环状过渡态的氢键作用更强,且质子位移小就可以实现质子转移,因此,水、甲醇、乙醇或乙酸分子辅助质子转移所需跨越的能垒较分子内质子转移时大大减小,也就是说这些辅助分子的加入能够促进质子转移的进行。
  3.对N'-(8-羟基喹啉-2-亚甲基)糠酰肼的酰肼结构单元的酮式-烯醇式的互变异构在B3LYP/6-31G(d)的机组上进行了理论计算,研究了直接的互变异构以及水分子辅助、甲醇分子辅助、乙醇分子辅助或乙酸分子辅助的酮式-烯醇式互变异构的反应机理,获得了不同反应过程中反应物、过渡态和产物结构的键长、键角、红外、化学位移、活化能(ΔE)、吉布斯自由能(ΔG)、波谱和反应能量数据。直接的互变异构经过一个四元环结构的过渡态,体系能量高,反应需跨越的能垒大,互变异构反应困难;水、甲醇或乙醇分子辅助的互变异构则经过一个含有两个氢键的六元环结构的过渡态,六元环结构和两个氢键大大降低了过渡态的能量,互变异构容易发生,使得反应的平衡向烯醇式构型的方向进行;而乙酸分子则是羟基和羰基氧同时参与质子转移过程,形成一个八元环结构的过渡态,由于酸的羟基氢容易电离,使得互变异构反应更容易进行。水分子、甲醇分子、乙醇分子以及乙酸分子的辅助使得向烯醇式构型转化的反应速率加快,反应平衡向生成烯醇式构型的方向移动,烯醇式含量增加,其中以乙酸分子的辅助效果最好。通过平衡常数关系得到酮式、烯醇式构型的含量比例,得到的结果与分析能量的结果相一致,酮式构型作为稳定构型存在。

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