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部分有机锗化合物结构及合成机理的理论研究

作　者: 房玉真
导　师: 马万勇
学　校: 山东轻工业学院
专　业: 应用化学
关键词: 有机锗倍半氧化物 密度泛函 过渡态理论 溶剂效应 加成反应 水解反应
分类号: O627.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


有机锗倍半氧化物（Ge-132）是潜在的抗癌良药,它最大的优点是副作用小,这是许多药物不能比拟的。它的生物活性已经引起了科学界的广泛关注并逐渐使有机锗化学成为化学科学研究领域中最为活跃的科技前沿热点之一。越来越多的医药和化学工作者,期待开发出更多具有显著疗效的有机锗抗癌药物。因此通过计算机对有机锗分子（尤其是有机锗倍半氧化物:双-β-羧乙基锗倍半氧化物,即Ge-132（R-Ge-1）和双-β-氨甲酰乙基锗倍半氧化物（R-Ge-2））结构、合成机理的分析不仅具有极高的学术价值,而且具有广泛的应用前景。本文采用量子化学的从头算和密度泛函方法,研究了R-Ge-1和R-Ge-2合成过程中各步的反应机理。本论文共分两大部分:1.在双-β-羧乙基锗倍半氧化物Ge-132（R-Ge-1）合成过程的理论研究中,系统研究了以下几步反应的机理: GeHCl3+CH2=CHCOOH→GeCl3CH2CH2COOH （1） GeCl3CH2CH2COOH+H2O→GeCl2OHCH2CH2COOH+HCl （2） GeCl2OHCH2CH2COOH +H2O→GeCl（OH）2CH2CH2COOH+HCl （3） GeCl（OH）2CH2CH2COOH+H2O→GeCl（OH）3CH2CH2COOH+HCl （4）2.在双-β-氨甲酰乙基锗倍半氧化物（R-Ge-2）合成过程的理论研究中,系统研究了以下几步反应的机理: GeCl3CH2CH2COOH+SOCl2→GeCl3CH2CH2COCl+SOClOH （5-1） GeCl3CH2CH2COOH+SOClOH→GeCl3CH2CH2COCl+SO（OH）2 （5-2） GeCl3CH2CH2COCl+H2O→GeCl2OHCH2CH2COCl+HCl （6） GeCl2OHCH2CH2COCl+H2O→GeCl（OH）2CH2CH2COCl+HCl （7） GeCl（OH）2CH2CH2COCl+H2O→Ge（OH）3CH2CH2COCl+HCl （8）主要得到了以下结果:采用了密度泛函的方法优化了反应的反应物、产物及过渡态,在相同的理论水平下对所得的过渡态都经过振动分析进行确认,并且通过内禀反应坐标（IRC）关联了相应的反应物和产物。在反应（1）中我们在B3LYP/6-311++G （3df, 3pd）（对Ge原子用赝势基组LANL2DZ basis （ExtraBasis））理论水平下,计算了各反应物、过渡态,产物的稳定构型。在气相中,我们得到了三个反应物和两个产物的平衡构型及五个过渡态,这五个过渡态的构型接近反应物的构型,反应经过早期势垒。该反应一共有五个可能的反应通道,我们还探讨了在气相和溶剂四氢呋喃、二甲基亚砜、丙酮中溶剂效应对各反应通道的影响。初步研究表明了各平衡构型在极性溶剂中更稳定,并得到了在气相和溶剂中最主要的反应通道。在反应（2）中,采用密度泛函在B3LYP/6-31++G （2d, 2p）理论水平和变分过渡态加小曲率隧道效应的方法对三氯锗丙烯酸一氯水解反应进行了理论研究。计算了在200-2000K温度范围内的速率常数。动力学分析与溶剂效应的计算说明了反应在整个温度范围内,三氯锗丙烯酸一氯水解最主要的反应途径在水溶剂中与在气相中的是不同的。在反应（3）中,采用密度泛函在B3LYP/6-311G （d, p）理论水平方法进行了理论研究。一共得到了三个可能的反应通道,并且分别计算了每个反应通道中各驻点的稳定构型,振动频率,红外光谱强度和相对能量。每个过渡态都进行了IRC验证,确认了是连着特定的反应物和产物。并计算了各反应通道相应的热力学及动力学性质,用传统过渡态TST得到了在300-1000 K温度范围内的平衡常数和速率常数。在反应（4）中的机理研究中,采用了B3LYP/6-311G（d,p）的理论方法,得到了与羰基平行的氯原子水解的过渡态,并进行了IRC验证。在反应（5）中,采用密度泛函在B3LYP/6-311G（d,p）理论水平下,计算得到了两步酰氯化的五个可能的反应通道,并得到了每步反应中最主要的反应通道。在反应（6）（7）（8）中,采用密度泛函B3LYP/6-311+G（d,p）的理论方法,分别得到了反应中的过渡态,分析了反应中主要的反应通道。在研究的过程中力争做到系统、精确,也取得了许多具有理论价值的创新成果,对有机锗倍半氧化物的实验研究具有重要的指导意义。

全文目录


摘要  7-9
ABSTRACT  9-12
第1章 绪论  12-16
  1.1 研究背景  12-14
    1.1.1 引言  12
    1.1.2 有机锗化合物的研究背景  12-14
  1.2 本文创新  14-16
第2章 基本理论  16-21
  2.1 计算原理概述  16-21
    2.1.1 电子结构理论  16-17
    2.1.2 过渡态理论  17-19
    2.1.3 溶剂效应  19-21
第3章 双-β-羧乙基锗倍半氧化物Ge-132（R-Ge-1）合成过程的理论研究  21-49
  3.1 三氯锗烷与丙烯酸加成反应的机理及溶剂化效应的理论研究  21-29
    3.1.1 计算方法  21-22
    3.1.2 结果与讨论  22-29
  3.2 三氯锗丙烯酸一氯水解反应机理的理论研究  29-38
    3.2.1 计算方法  29
    3.2.2 结果与讨论  29-38
  3.3 GeCl_2OHCH_2CH_2COOH一氯水解反应的机理探讨  38-45
    3.3.1 计算方法  38-39
    3.3.2 结果与讨论  39-45
  3.4 GeCl(OH)_2CH_2CH_2COOH 水解反应机理的探讨  45-47
    3.4.1 计算方法  45
    3.4.2 结果与讨论  45-47
  3.5 本章小结  47-49
第4 章双-β-氨甲酰乙基锗倍半氧化物（R-Ge-2）合成过程的理论研究  49-63
  4.1 三氯锗丙烯酸酰氯化反应机理与溶剂效应的理论研究  49-55
    4.1.1 计算方法  49-50
    4.1.2 结果与讨论  50-55
  4.2 三氯锗丙烯酰氯水解反应机理的理论研究  55-61
    4.2.1 GeCl_3CH_2CH_2COCl 一氯水解反应机理的探讨  55-57
    4.2.2 GeCl_2OHCH_2CH_2COCl 一氯水解反应机理的探讨  57-60
    4.2.3 GeCl(OH)_2CH_2CH_2COCl 水解反应机理的探讨  60-61
  4.3 本章小结  61-63
参考文献  63-68
致谢  68-69
攻读硕士学位期间取得的科研成果  69

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 有机化学 > 元素有机化合物 > 第Ⅲ族元素有机化合物
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