合成对羟基苯甲醚的理论研究与实验

摘要

利用量子化学的密度泛函理论(DFT)研究有机反应体系已成为有机化学重点研究领域之一。本文简要介绍了密度泛函法的理论基础，综述了密度泛函理论研究有机反应体系的进展，并就对苯二酚单一甲基化制备对羟基苯甲醚这一有机反应体系进行了密度泛函理论计算分析和实验合成。 对羟基苯甲醚是一种重要的医药化工原料，常用于精细化学品的合成。但由于对合成技术及反应机理研究不够，导致其生产成本过高，使其应用受到限制。本文通过密度泛函理论(DFT)，采用B3LYP交换相关势和6-31G(d,p)基组，对对苯二酚与硫酸二酯和碳酸二甲酯等甲基化试剂反应合成对羟基苯甲醚的反应物、中间体和产物的结构进行了优化。在PCM模式下分别计算了其电荷密度分布、重叠集居数和单点能，确定了可能的过渡态结构和反应机理，并用TS方法进一步确定了过渡态，对过渡态进行了频率分析和IRC分析。通过计算研究发现：对苯二酚和甲基化试剂反应后生成了对羟基苯甲醚，其羟基氧上的电荷密度降低，不利于继续发生亲核取代反应生成副产物对苯二甲醚。而在碱过量的情况下，反应物首先与碱反应生成生成对苯二氧基负离子，其电荷密度增加，更有利于和甲基化试剂发生亲核取代反应生成副产物对苯二甲醚。由计算结果的过渡态能量显示：从过渡态到副产物所需要的能量比由过渡态到主产物所需要的能量高，说明温度过高则有利于副产物的生成，温度太低则生成主产物所需能量不够，反应产率也会降低，只有控制合适的温度才能提高主产物的比率。最后优化了碳酸二甲酯的空间结构，计算了其重叠集居数。计算结果解释了碳酸二甲酯作为甲基化试剂反应比较难的原因。通过理论计算还讨论了碳酸二甲酯在路易斯酸催化下与酚类和苯胺类物质发生亲核取代反应的可能机理，探索了溶剂对反应的影响。 根据理论计算结果，选择合适的实验条件在实验室水平上合成了对羟基苯甲醚，通过控制反应温度、反应时间、催化剂用量、投料方式、原料用量比等实验条件，控制对苯二酚和硫酸二甲酯反应生成主产物与副产物的比率为1∶0.16。而对苯二酚在路易斯催化下和碳酸二甲酯反应生成对羟基苯甲醚的收率为66.18﹪。理论计算结果与实验结果吻合良好。

目录

文摘

英文文摘

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1引言

1.1密度泛函理论(DFT)

1.1.1密度函数

1.1.2 Thomas-Fermi模型

1.1.3 Hohenberg-Kohn定理

1.1.4 Kohn-Sham方程

1.2密度泛函理论(DFT)研究有机体系的进展

1.3对羟基苯甲醚的应用与合成方法进展

1.3.1对羟基苯甲醚应用简介

1.3.2对羟基苯甲醚合成方法进展

1.3.3小结

1.4本文的研究目的和研究内容

2理论计算模型和方法

2.1交换相关泛函与计算基组的选择

2.1.1交换相关泛函的选择

2.1.2计算基组的选择

2.2硫酸二甲酯和对苯二酚反应的计算模型和方法

2.3碳酸二甲酯在路易斯酸催化下和对苯二酚的反应模型

3计算结果和讨论

3.1对苯二酚与硫酸二甲酯反应的计算结果和讨论

3.1.1反应物、中间体、过渡态、产物的单点能和重叠集居数

3.1.2反应物、中间体、产物的优化后的分子结构及电荷密度分布

3.1.3过渡态的TS分析和频率分析

3.1.4过渡态的IRC计算及分析

3.2碳酸二甲酯在路易斯酸存催化下与对苯二酚反应的计算结果

3.2.1碳酸二甲酯的优化结构图以及电荷密度分布

3.2.2芳香类亲核试剂与路易斯酸形成配体的优化结构和电荷密度

3.2.3碳酸二甲酯的重叠集居数分析

4实验合成部分

4.1对苯二酚和硫酸二甲酯合成对羟基苯甲醚

4.1.1仪器与试剂

4.1.2对羟基苯甲醚的合成及分析

4.2对苯二酚和碳酸二甲酯合成对羟基苯甲醚

5实验结果与讨论

5.1硫酸二甲酯和对苯二酚合成对羟基苯甲醚的实验结果与讨论

5.2碳酸二甲酯与对苯二酚反应合成对羟基苯甲醚的结果讨论

6结论和展望

6.1结论

6.2展望

致 谢

参考文献

附 录

A计算所用坐标矩阵

B作者在读硕士期间发表的论文