氢键复合物中手性识别的理论研究

作     者：尹爱霞 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张桂秋

授予年度：2009年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：手性识别 2-丁醇 过氧化氢 2-羟甲基环氧乙烷 氢键复合物 

摘      要：手性物质在自然界中是广泛存在的;手性是自然界最基本的属性之一。手性识别是一个手性分子区分另一个手性分子的一对对映异构体的能力。在分子水平上理解手性识别的机理及其影响因素对不对称合成、手性有关的检测器的设计具有重要意义。 手性识别分两种:一种是两个手性分子之间的手性识别(手性分子A识别手性分子B的两种手性形式即R和S);另一种是单个手性分子的自身手性识别(手性分子A的两种对映异构体:或者是相同的真正的自身识别,或者是不同的自身识别)。复合物的命名,同手性的复合物为(RR或SS) ,异手性的复合物为(RS或SR)。本论文中,我们研究的是两个手性分子之间的手性识别。 理论上,研究手性识别一般有两种能量。一种被称为手性识别能,用ΔEchir来表示。另一种能量是双立体面识别能。当讨论手性识别时,我们必须考虑手性识别能的两个方面:一个是手性识别能数值的大小,数值大说明手性识别的能力大,数值小说明手性识别的能力小;另一个是手性识别能符号的正负(在一般的例子中,B的两种对映异构体R或S优先;在自身识别的例子中,同手性的或者异手性的二聚体优先)。手性识别能的符号,即正号或负号,正号意思是异手性的复合物优于同手性的复合物,负号意思是同手性的复合物优于异手性的复合物。 另一种能量是双立体面识别能。其定义为,在主体手性分子立体中心的两面与客体手性分子的一对对映异构体形成的两个非对映异构体的氢键复合物,这两个复合物的能量差就是双立体面识别能。 本论文选择手性分子2-丁醇与过氧化氢形成的氢键复合物为研究体系。2-丁醇分子是一个链状的、有机的、稳定的手性分子,它有三种构象(“ga、“ag和“gg)而且每种构象还分了三种(h-form、m-form和e-form) ,我们用Leutwyler使用的理论和方法来研究2-丁醇的九种构象与过氧化氢形成的氢键复合物的手性识别。 另外,我们还扩展了2-甲基环氧乙烷与过氧化氢形成氢键复合物的研究系列,研究了2-羟甲基环氧乙烷分子与过氧化氢形成的氢键复合物的手性识别,并与2-甲基环氧乙烷的手性识别的结果进行了比较。 本论文的内容简述如下: 第一章:手性识别的研究目的和意义及现状 第二章:研究的方法和理论 第三章:2-丁醇与过氧化氢形成的氢键复合物手性识别的理论研究 第四章:2-羟甲基环氧乙烷与过氧化氢形成的氢键复合物的手性识别 第五章:论文总结及展望 本论文的主要结论: 对2-丁醇不同构象与过氧化氢形成的氢键复合物手性识别的理论研究,总共得到36个稳定的复合物,每个复合物都是通过分子间氢键键合。对于h-form和m-form构象的24个复合物,有的含有一个主要氢键和几个次级氢键;有的只含有次级氢键。对于e-form的12个复合物,每个复合物都是通过单一的主要分子间氢键键合。 在h-form构象中,对两个较稳定复合物其最大的手性识别能为-0.193 kcal mol-1是“gg(h)的SM-SP,即在“gg(h)构象中,复合物SM比SP占优势;最大的双立体面能为3.491 kcal mol-1,是“gg(h)的(SM-2)-SM,即在“gg(h)构象中,复合物SM比SM-2占优势。在m-form构象中,对两个较稳定复合物其最大的手性识别能为-0.238 kcal mol-1是“gg(m)的(SM-2)-(SP-2),即在“gg(m)构象中,复合物SM-2比SP-2占优势;最大的双立体面能为-3.763 kcal mol-1,是“ga(m)的(SP-2)-SP,即在“ga(m)构象中,复合物SP-2比SP占优势。在e-form构象中,最大的手性识别能为1.110 kcal mol-1是“ga(e)的SM-(SP-2),即在“ga(e)构象中,复合物SP-2比SM占优势;最大的双立体面能为-0.996 kcal mol-1,是“ga(e)的(SP-2)-SP,即在“ga(e)构象中,复合物SP-2比SP占优势。柔性分子2-丁醇的不同构象形成的复合物中氢键的强度和数量有差别;对最大的手性识别能和双立体面能的数值和符号也有很大差别。 我们在2-丁醇的三个h-form、m-form和e-form构象中做了比较并解释了它们之间的不同。在h-form、m-form和e-form三个之中(H、Me和Et)和在“ga、“ag和“gg三个之中(H、Me和OH)的不同位置决定了复合物结构、能量、手性识别能和双立体面能的多样性。我们的研究揭示了2-丁醇9种不同构象与过氧化氢的一对对映异构体手性识别的机理主要被主要氢键控制;双立体面识别主要被空间排斥力决定,即双立体面识别的驱动力主要是复合物中2-丁醇上的乙基对过氧化氢的空间排斥力。 对2-羟甲基环氧乙烷与过氧化氢形成的复合物的研究并与2-甲基环氧乙烷与过氧化氢形成