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5-氧杂三环[7.4.1.0～（3，7）]-1，3（7），8，10，12-十四碳五烯合成反应机理研究

作　者: 张森
导　师: 张敬畅
学　校: 北京化工大学
专　业: 工业催化
关键词: -氧杂三环[7.4.1.03,7]-1,3(7),8,10,12-十四碳五烯取代反应环氧化反应反应机理过渡态电荷密度拓扑分析
分类号: O621.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

用从头计算方法和密度泛函理论(DFT)研究了5-氧杂三环[7.4.1.03,7]-1,3(7),8,10,12-十四碳五烯合成过程中取代反应和环氧化反应的反应机理。在B3LYP/6-31G*基组水平上，采用Berny能量梯度法优化了上述各反应的反应物、过渡态和产物的几何构型；通过振动分析确定所得过渡态具有唯一虚振动频率；然后依据反应途径的内禀反应坐标(IRC)理论，计算并分析了IRC途径上各驻点分子结构的变化和能量的变化，对沿反应最小能量途径的一系列驻点进行了零点能校正；最后对反应各驻点的电荷密度进行了拓扑分析。得出如下结论：1．取代反应的活化位垒是157.67kJ/mol，反应为吸热反应，吸热量为18.78kJ/mol；环氧化反应的活化位垒是139.23kJ/mol，反应为放热反应，放热量为25.16 kJ/mol。2．通过IRC途径上相互作用分子间化学键变化的分析，发现取代反应中的溴化氢的脱除与羟基的取代是同步发生的；环氧化反应中溴化氢的消除反应和成环反应是以协同方式进行，新键的形成和旧键的断裂发生在反应途径上一个较小的区间。通过考察反应各驻点的几何结构变化，确认这两个反应中脱除的溴化氢中的氢均来自于羟基氢。 <WP=4>3．沿IRC对各驻点进行振动分析发现每个反应体系具有多个振动模式，存在一个“反应振动模式”，这一振动模式与反应过程中化学键的变化紧密相关。重点研究了过渡态的虚振动模式，它指向反应物和产物，说明这些驻点均位于正确的反应途径上。根据振动分析得到的频率数据，绘出反应物和产物的振动频谱图，并对红外谱图进行了解析，理论分析的结果与各物质的结构基本吻合。4．用电荷密度拓扑理论分析了键临界点处电荷密度的Laplacian量随反应坐标的变化以及各驻点沿键径电荷密度的Laplacian的等值线图。分析结果清楚地说明了反应过程中各相关化学键断裂或生成的位置及发生变化的时机，从理论上合理地解释了所研究反应的反应机理，同时验证了文献推测的反应机理是正确的。

全文目录

第一章序言  11-15
  1.1 背景  11-12
  1.2 研究的内容和意义  12-13
  1.3 研究方法  13-15
第二章计算方法和基本原理  15-36
  2.1 Ab initio从头计算  15-26
    2.1.1 自洽场(SCF)  15-18
      2.1.1.1 变分原理  15-17
      2.1.1.2 自洽场迭代  17-18
    2.1.2 闭壳层分子中的轨道能量  18-21
    2.1.3 相关方程和从头计算的基本线索  21-26
      2.1.3.1 单电子算符和Hartree-Fock方程  21-22
      2.1.3.2 Roothaan方程  22-25
      2.1.3.3 从头计算的基本线索  25-26
  2.2 密度泛函理论  26-27
  2.3 内禀反应坐标理论  27-31
  2.4 分子电荷密度的拓扑理论  31-36
第三章 3,4-二溴甲基双环[4.4.1]-1,3,5,7,9-十一碳五烯取代反应  36-51
  3.1 研究内容  36
  3.2 计算方法  36-37
  3.3 取代反应的机理  37-45
    3.3.1 反应的微观途径  37-38
    3.3.2 反应物A、过渡态E及产物B的几何构型  38-42
      3.3.2.1 反应物A、过渡态E及产物B的几何构型图  38-39
      3.3.2.2 反应物A、过渡态E及产物B的几何构型参数  39-41
      3.3.2.3 反应过程中主要原子间距离沿IRC的变化  41-42
    3.3.3 反应的过渡态及振动分析  42-43
    3.3.4 反应过程的能量变化  43-45
  3.4 反应的振动频谱分析  45-46
  3.5 电荷密度拓扑分析  46-49
    3.5.1 键临界点处电荷密度的Laplacian随反应坐标的变化曲线  46-48
    3.5.2 各驻点电荷密度Laplacian沿键径的等值线图分析  48-49
      3.5.2.1 C(21)-Br(30)-H(28)平面上等值线图  48-49
      3.5.2.2 C(21)-O(22)-H(28)平面上等值线图  49
  3.6 小结  49-51
第四章 (4-溴甲基双环[4.4.1]-1,3,5,7,9-十一碳五烯基-3-)甲醇环氧化反应  51-66
  4.1 研究内容  51
  4.2 研究方法  51-52
  4.3 环氧化反应的反应机理  52-60
    4.3.1 反应的微观途径  52
    4.3.2 反应物B、过渡态F及产物P的几何构型  52-57
      4.3.2.1 反应物B、过渡态F及产物P的几何构型图  53-54
      4.3.2.2 反应物B、过渡态F及产物C的几何构型参数  54-56
      4.3.2.3 反应过程中主要原子间距离沿IRC的变化  56-57
    4.3.3 反应的过渡态及振动分析  57-58
    4.3.4 反应过程的能量变化  58-60
  4.4 反应的振动频谱分析  60-61
  4.5 电荷密度拓扑分析  61-65
    4.5.1 键临界点处电荷密度的Laplacian随反应坐标的变化曲线  61-63
    4.5.2 各驻点电荷密度Laplacian沿键径的等值线图分析  63-65
      4.5.2.1 C(21)-O(22)-C(19)平面上等值线图  63
      4.5.2.2 O(22)-H(28)-Br(27)平面上等值线图  63-64
      4.5.2.3 C(19)-Br(27)-H(28)平面上等值线图  64-65
  4.6 小结  65-66
第五章结论  66-67
参考文献  67-75
致谢  75-76
攻读硕士期间发表的论文  76

5-氧杂三环[7.4.1.0～（3，7）]-1，3（7），8，10，12-十四碳五烯合成反应机理研究

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