摘 要

2-氨基噻唑的氨基-亚胺基的互变平衡是氨基噻唑类衍生物中最基本的一类互变异构现象。经研究，2-氨基噻唑的异构化主要是通过质子迁移来完成。由于质子转移而产生的互变异构现象不仅在一般化学反应中广泛存在，在分子生物学和生命体系中也同样具有非常重要的意义。本论文在B3LYP方法，6-31g(d)基组水平上对2-氨基噻唑可能存在的三种质子迁移机理进行理论研究，对质子转移反应路径上各稳定点的结构进行全优化，计算振动频率，并分析穆里根电荷和反应能垒。研究结果表明：三种质子迁移机理如下（1）分子内直接迁移；（2）水分子参与的质子迁移；（3）二聚体分子间迁移。最后，通过对计算结果的比较找出最稳定结构以及最佳迁移方式。

关键词：2-氨基噻唑；异构化；质子迁移；

Theoretical study on isomerization of 2- amino thiazole

ABSTRACT

The tautomeric equilibrium between amino and imino group of 2-amino thiazole is a most fundamental tautomerism in aminothiazole derivatives.It turns out that the isomerization of 2- amino thiazole is mainly done by proton transfer.The tautomerism caused by proton transfer not only exists generally in normal chemical reactions,but also is of great significance to molecular biology and life system.In this paper,I will do theoretical research about 2-amino thiazole which may isomerize in three proton transfer pathways by adopting theory B3LYP combined with 6-31g(d) basic sets. I will optimize the structure and calculate frequency of all tne moleculer existing in these pathways and also analyze Mulliken atomic charges and reaction energy barrier. Researches show taht the three possible proton transfer pathways are the following: (1)intramolecular direct proton transfer; (2)proton transfer with water; (3)intermolecular transfer through dimerization.Finally,I will find the best stable structure and the best transfer pathway.

Key words: 2-amino thiazole; isomerization; proton transfer;

目录

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 互变异构 1

1.1.2 质子迁移 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 5

1.3 研究内容 5

2 研究方法 6

2.1 理论基础 6

2.1.1 密度泛函理论 6

2.1.2从头计算法（ab initio method） 6

2.1.3 AM1方法 6

2.1.4 组态相关CIS方法 7

2.1.5 连续溶剂模型PCM 7

3 2-氨基噻唑互变异构过程 8

3.1 前言 8

3.2 计算细节 8

3.3 结果与讨论 9

3.3.1 分子内直接迁移 9

3.3.2 水辅助质子迁移 12

3.3.3 二聚体分子间迁移 16

总结 21

致谢 22

参考文献 23

1 绪论

1.1 研究背景

2-氨基噻唑是一种非常重要的化工原料，是染料、医药、净水剂等的合成中间体，在第三、四代头孢菌素的合成中得到广泛运用，它的衍生物在化学、生物和医药方面更是有着广泛的用途。例如，氨基噻唑和苯氨噻唑的衍生物在不少止痛，抗噪，退烧药里起着重要的活性作用。以质子迁移机理为基础的氨基一亚氨基的互变平衡是氨基噻唑类化合物的一类重要性质^[1]。质子迁移互变异构现象一直以来吸引着广大实验工作者和理论工作者的兴趣，人们最早发现的质子迁移互变异构是酮式-烯醇式互变异构。在对此课题研究之前我们首先要清楚两个概念：互变异构和质子迁移。

1.1.1 互变异构

互变异构是指一类特殊的同分异构现象。其特点是含有杂原子（如氮、氧或硫原子）的两个同分异构体，其结构差异仅在于质子和相应的双键的迁移，且这两个异构体共存于一个平衡体系中，以相当高的速率互相变换着。酮-烯醇互变异构是较普遍的现象，它可以被酸或碱所催化。羰基化合物易于形成烯醇式结构是由两种电子作用引起的。一是由于羰基的吸电子诱导效应使得α碳上的氢十分活泼，无论在酸或碱的催化下，都有利于α氢的解离。二是羰基α碳上的碳氢键与羰基有超共轭作用，α氢作为质子离开后，变为烯醇负离子，因发生电子离域作用，增加了碳负离子稳定性，所以易形成^[2]。下面我将以乙酰乙酸乙酯为例，用图示1.1表示该互变异构过程:

图1.1 酮式，烯醇式互变异构

在常温下，平衡体系中酮式和烯醇式彼此转变很快，很难将它们分离。在低温下，酮式及烯醇式二者互变速率很慢，因此可在适当条件下将它们分开。

1.1.2 质子迁移

当质子得到能量被活化时就从一个水分子中逸出,而当另一个水分子有了多余的质子和能量时,也可把另一个氢质子推出去,被推出的自由质子又可重复上述过程,称质子转移。质子转移是自然界与生命体的一个重要的基本过程。通过研究以质子转移为机理的模型化合物的化学行为有助于认识和理解这个基本过程,相关的研究已成为目前物理化学研究领域的前沿课题之一。许多物质往往存在不同的构型或构象,说明分子存在异构化现象,除了分子内质子转移,构型翻转也是分子立体异构化的一种重要方式^[3]。质子转移的结果就是氢键的断裂、结构的重排,同时转移能量。对于质子转移，具体可分为三类：（a)分子内质子转移(Intramolecular Proton Transfer)，（b)分子间质子转移(Intermolecular Proton Transfer)，（c)小分子协助的质子转移。若按质子转移反应发生在何种状态，则分为基态质子转移和激发态质子转移。无论在基态还是激发态发生质子转移，一般都有基本相似的过程，有机化学反应中最为典型的质子转移互变异构就是酮类化合物的烯醇式和酮式互变异构化。质子转移反应其反应机理有两类，(1)质子直接转移，大致有三步：酸碱碰撞络合物的形成，质子通过水合结构与碱结合，水合结构的破裂。(2)有氢氧根离子参与的反应，这类反应的特点是快速，属扩散控制，一般用弛豫技术及核磁共振技术研究其反应动力学行为及规律。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

四川大学张慧等人用密度泛函方法在B3LYP，6—31 G^*基组水平上对2，4-二硫基胸腺嘧啶在孤立分子和水合物两种条件中异构体的稳定性和可能的质子迁移反应进行了研究，分析了在水分子参与条件下2，4-二硫基胸腺嘧啶异构体的相对稳定性和质子迁移速率。结果显示，该分子在气相中只有一种稳定构型，水分子的参与并未改变2，4-二硫基胸腺嘧啶各异构体的稳定性顺序，但很大程度上降低了质了迁移过程所需的活化能^[4]。

延边大学周子彦等人采用密度泛函B3LYP方法，6-311 G（d）基组对3，6-二羟基哒嗪异构化反应的活化能进行了研究，在分析各种可能的反应途径后，发现该体系至少有34 种异构体以及43 种过渡态。结果表明，6-羟基-3（2H）-哒嗪酮不论是单体，水助催化，还是二聚体形式，都比其相对应的异构体能量低，表明在一般情况下6-羟基-3（2H）-哒嗪酮在体系中是稳定存在的。并研究后发现氢键大大降低了该反应的活化能^[5]。