五種2—氰基丙烯酸乙酯類化合物的密度泛函理論研究

【摘 要】本文在密度泛函B3LYP/6-31G水平下研究了五種2-氰基丙烯酸乙酯類化合物，首先對五種化合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析比較了不同取代基對該類化合物的鍵長、鍵角以及鍵能的影響，然后計(jì)算了相對總能量及HOMO-LOMO能隙，并討論了其穩(wěn)定性，結(jié)果表明：2-氰基-3-氨基-3-苯基丙烯酸乙酯的穩(wěn)定性最好。

【關(guān)鍵詞】2-氰基丙烯酸乙酯類化合物；密度泛函；理論研究

0.引言

近年來，丙烯酸酯類是一類具有良好生物活性的化合物，這類化合物在農(nóng)藥上得到了廣泛應(yīng)用。由于該類化合物作用機(jī)制新穎，環(huán)境友好，故其分子設(shè)計(jì)和合成及生物活性成為目前農(nóng)藥創(chuàng)制[1]的熱點(diǎn)之一，并已成為國內(nèi)外農(nóng)藥研究的重要方向之一。氰基丙烯酸酯類化合物最早見于1969年的法國專利，但直至1981年第一次報(bào)道了化合物對光合作用活性的抑制后[2]，此類化合物才引起了人們的極大興趣并對其合成、活性與作用方式進(jìn)行了深入研究。為了較系統(tǒng)地研究氰基丙烯酸酯類光合作用抑制劑的構(gòu)效關(guān)系，2012年，張慧蘋等[3]以氰基乙酸乙酯為原料，合成了a-對三氟甲基苯胺-3-（R/S）-a-甲基芐胺-2-氰基丙烯酸酯，對中間體及目標(biāo)化合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。

并對a-氰基丙烯酸酯類化合物的生物活性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該類化合物具有一定的抗煙草花葉病毒活性及抗癌活性，具有深入研究的價值。本文采用密度泛函理論方法， 在B3LYP/6-31G水平下研究了2-氰基-3-甲硫基-3-芳氨基丙烯酸乙酯、2-氰基-3-硫甲基-3-（N-2-氟-苯乙氨基）丙烯酸乙酯、2-氰基-3-氨基-3-苯基丙烯酸乙酯、2-氰基-3-硫甲基-3-對三氟甲基苯胺丙烯酸乙酯、3，3-雙甲硫基-2氰基丙烯酸乙酯五種2-氰基丙烯酸乙酯類化合物。主要研究甲硫基以及其他一些取代基對2-氰基丙烯酸乙酯的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性以及生物活性的影響，并對其進(jìn)行頻率檢查驗(yàn)證，最后篩選出最穩(wěn)定的化合物。

1.材料與方法

2-氰基丙烯酸酯類化合物的分子構(gòu)建主要采用Gaussview09模擬設(shè)計(jì)，本文構(gòu)建了2-氰基-3-甲硫基-3-芳氨基丙烯酸乙酯、2-氰基-3-硫甲基-3-（N-2-氟-苯乙氨基）丙烯酸乙酯、2-氰基-3-氨基-3-苯基丙烯酸乙酯、2-氰基-3-硫甲基-3-對三氟甲基苯胺丙烯酸乙酯、3，3-雙甲硫基-2氰基丙烯酸乙酯五種化合物，記錄了各個分子的鍵長、鍵角、鍵能等數(shù)據(jù)并對其空間結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)進(jìn)行初步分析。 然后對各個化合物進(jìn)行幾何優(yōu)化，能量計(jì)算并對其進(jìn)行頻率檢查驗(yàn)證。所有計(jì)算都是通過Gaussian 09程序包完成。

2.結(jié)果

2.1不同取代基對化合物的影響

本文主要選取了甲硫基、苯基、氨基以及氟原子等基團(tuán)，研究其對2-氰基丙烯酸乙酯分子結(jié)構(gòu)的影響，比較五種不同化合物的C1=C2-C3鍵角以及C1=C2鍵長。如圖1所示。

由表一、表二可知，2-氰基丙烯酸乙酯的鍵角為121.565o，鍵長為1.348。引入的五種取代基之后，其中化合物四的鍵角變化最大，為112.668o，而鍵長變化最小，變?yōu)?.378，化合物五的鍵角變?yōu)?20.254o，較母體變化最小。通過五種化合物的相互比較，我們可以得出甲硫基對這五種化合物的穩(wěn)定性影響最小，氟原子對化合物的影響較大。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)顯示，五種2-氰基丙烯酸乙酯化合物，化合物五的分子結(jié)構(gòu)所受影響最小，化合物四分子結(jié)構(gòu)所受影響最大。

2.2穩(wěn)定性分析

在構(gòu)建分子的基礎(chǔ)上我們采用密度泛函理論B3LYP/6-31G的方法對五種分子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對其進(jìn)行頻率檢查驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并無虛頻，證實(shí)得到的是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了五種化合物的相對能量和HOMO-LUMO能隙差列于表3。如下表3所示：

從表3可以得知，五種化合物的相對能量相差較大，我們把能量最低的化合物三的能量確定為相對的零點(diǎn)，它們的最大相對能量差為20925eV，化合物四的相對總能量最大，這與表1和表2中所示的引入取代基對其的分子結(jié)構(gòu)影響最大相符。五種化合物的熱穩(wěn)定性順序?yàn)?>1>4>2>5，我們可以看到化合物三的HOMO-LUMO能隙差為0.171，是五種化合物中最高的。熱穩(wěn)定性與HOMO-LUMO能隙差相符，我們可以確定化合物3是五種化合物中穩(wěn)定性最高的。

3.結(jié)論

本文采用密度泛函理論的B3LYP方法，6-31G基組研究了五種2-氰基丙烯酸乙酯類化合物，首先對五種化合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并通過理論計(jì)算研究了它們的理化性質(zhì)，同時也研究不同取代基對2-氰基丙烯酸乙酯的分子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的影響，其中甲硫基對化合物的影響最小。通過總能量的比較五種化合物的熱穩(wěn)定性順序?yàn)?>1>4>2>5，同時我們可以看到化合物三的HOMO-LUMO能隙差為0.171，是五種化合物中最高的，熱穩(wěn)定性與HOMO-LUMO能隙差相符，最后得出化合物3的穩(wěn)定性最高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王鳳云，郭麗琴，馬海軍等.2-氰基-3-取代苯基-3-取代氨基丙烯酰胺化合物的合成和除草活性研究[C].第五屆新農(nóng)藥創(chuàng)制交流會論文集，沈陽，2003.

[2]Huppatz， J.L.；Phillips，J.N.；Ratligan.B.M.Agro.Bio.Chem，1981，45：769.

[3]張慧蘋，姜琳琳等.手性a-氰基丙烯酸酯類化合物的合成及生物活性研究[J].化學(xué)與生物工程，2012，10：51-53.