含硒、硫等元素有机锗化合物合成机理的理论研究

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锗元素是一种天然存在在很多植物中的微量元素,特别是在一些名贵中草药(如人参等)中含量较高,它的一些化合物已经被证明有着广泛的生物活性,如:抗菌,抗病毒,抗肿瘤,镇痛,免疫调节作用等等。锗的化合物分为无机锗化合物和有机锗化合物,经研究,锗元素在矿藏中通常以无机锗的形式存在,在动物、植物等内通常以有机锗的形式存在。一般地,以无机化合物形式存在的锗元素(例如,GeO2和GeCl4)已经被证明会对一些器官或组织产生严重的毒性,而有机锗化合物对人类及其他哺乳动物产生的毒性相对较小。因此,继日本科学家浅井一彦首次合成了有机锗化合物Ge-132后,许多化学家对研究有机锗倍半化合物和含磷的有机锗化合物产生了浓厚的兴趣。自此,对锗化合物的研究开启了一个寻找高效、低毒有机锗化合物的新纪元。为了寻找高效、低毒的有机锗化合物,国内外一些学者已经开始致力于将具有生物活性的元素或基团引入到有机锗化合物分子结构中去,希望能起到协同增效作用。实验工作者也投入了大量的精力和财力去合成一些含有硒、硫、磷等元素的有机锗化合物。但是,理论方面还未见到有关对其优化构型和反应机理的报道。鉴于此,我们采用高层次的量子化学计算方法对烃基锗的合成反应机理进行了系统地计算研究。本文的主要研究内容包括:1、有机锗倍半硒化物合成过程机理研究中,涉及到的反应步骤如下:HGeCl3+CH2=CHCOCH3→Cl3GeCH2CH2COCH3...........................(1)C13GeCH2CH2COCH3+H2Se→Ge(SeH)C12CH2CH2COCH3+HCl..........(2)Ge(SeH)C12CH2CH2COCH3+H2Se→Ge(SeH)2Cl CH2CH2COCH3+HCl...(3)Ge(SeH)2Cl CH2CH2COCH3+H2S→Ge(SeH)3CH2CH2COCH3+HCl.......(4)2、烃基氯化锗和硫代氨基甲酸钠盐反应机理的理论研究过程中,涉及到的反应如下:对于各个反应的研究从理论上主要得到了以下结果:对反应(1)分别采用了B3LYP/6-311+G(2d,2p)、MPWB1K/6-311+G(2d,2p)和BB1K/6-311+G(2d,2p)理论水平对反应所涉及的反应物,产物进行了构型优化和能量计算,通过比较选取了三种计算方法中最适当的一个计算方法MPWB1K/6-311+G(2d,2p)方法。通过计算找到了反应路径上的四个过渡态即计算得到了四条反应通道。在同样的理论水平上又对找到的过渡态进行了内禀反应坐标(IRC)分析,证明了过渡态的正确性。找到了加成反应在气相中经过最小势垒得到的反应产物。对四个反应通道分别进行了热力学和动力学分析获得了最佳反应通道。另外,采用Onsager模型研究了加成反应在四氢呋喃(=7.58)和二氯甲烷(=9.1)溶剂中的反应机理。对反应(2)(3)(4)我们利用MPWB1K/6-311+G(2d,2p)理论方法,优化了反应物、产物、过渡态,并进行了能量和频率计算,找到了各个路径上的过渡态,在同样的理论水平上又对过渡态进行了内禀反应坐标(IRC)分析,验证了过渡态的正确性。并在MPWB1K/6-311+G(2d,2p)理论水平上采用过渡态理论计算了300K-2500K温度范围内的反应速率常数。同时在给定温度范围内对各个反应通道进行了热力学分析,确定了反应的主要反应通道。在同样的理论水平下,用Onsager模型计算了四氢呋喃(=7.58)和二氯甲烷(=9.1)溶剂对反应的影响。对反应(a)-(d),优化了反应物、产物、过渡态的构型参数、能量,采用内禀反应坐标(IRC)理论方法来证明了过渡态连接着正确的反应物和产物。还对整个所选取的反应的每个反应通道的能垒进行比较分析。通过比较分析可以得到N原子上所连接基团不饱和程度对反应难易程度的影响等信息。
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