主客体分子体系：环己烷及其衍生物包结于分子反应器内的理论研究

【摘要】： 本文利用量子化学的计算方法,以环己烷及其衍生物在分子反应器内构象翻转为研究对象,从动态和静态两个方面对分子反应器中化学反应的本质,客体分子在分子反应器内进行化学反应过程中主客体分子间的结构互补及彼此应答关系进行了理论研究。主要结果如下: 1、采用半经验AM1方法及密度泛函方法(DFT)研究了环己烷客体分子在两种分子反应器内构象翻转机理,并讨论了分子反应器的内相(inner phase)对环己烷客体分子构象翻转的影响。两种分子反应器都能够提供疏水空间将环己烷客体分子包结于其内腔中,但是环己烷在两种分子反应器内的相对位置是不同的。在分子反应器内腔中,环己烷能够进行构象翻转而不破坏分子反应器的几何结构。通过主客体分子间的相互作用,分子反应器上下两部分间的氢键以及分子反应器的变形,分子反应器能够调控环己烷客体分子在其内相中的构象翻转速度。 2、采用半经验PM3方法及密度泛函方法(DFT)研究了极性的1,3-二氧杂环己烷客体分子在分子反应器内构象翻转的机理,并讨论了分子反应器的内相对1,3-二氧杂环己烷构象翻转的影响。通过主客体分子间吸引的相互作用,分子反应器能够将极性的1,3-二氧杂环己烷客体分子包结于其内腔中,并通过分子反应器中间部分的氢键的变形适应1,3-二氧杂环己烷的构象翻转。与自由状态的1,3-二氧杂环己烷的构象翻转相比,分子反应器内1,3-二氧杂环己烷构象翻转速度要慢一些。分子反应器的变形有利于主客体分子间的吸引相互作用的最大化。 3、采用两种密度泛函方法(B3LYP与PW91)研究了主客体分子体系:氢取代的环己烷(甲基环己烷及羟基环己烷)包结于分子反应器内腔,并讨论了主客体分子间是如何进行匹配以形成稳定的弱相互作用体系。PW91密度泛函方法相对于B3LYP密度泛函方法,能够更好的评价包含氢键的主客体分子复合物体系。尽管在主客体分子间存在着弱的排斥的相互作用,但是这种弱的排斥的主客体分子间的相互作用并不会破坏主客体分子复合物的几何结构。一个重要的因素就是处于分子反应器中间部分的16个氢键极大地降低了整个主客体分子复合物的能量。与甲基环己烷(处于分子反应器的中央)不同,羟基环己烷客体分子由于与分子反应器间形成氢键,更靠近于分子反应器下半部分单体的酰亚胺吡嗪基团。 4、采用PW91密度泛函方法研究了主客体分子体系:两种不同的客体小分子同时包结于分子反应器内腔中。不同于单个客体分子在分子反应器内腔中处于分子反应器中央的位置,当两个不同的客体分子共同被包结于分子反应器内腔时,两个共同的客体分子分别靠近于分子反应器上下两部分的单体分子。