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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳淑萍
研究生(外文):Shu-Ping Chen
論文名稱:利用理論計算探討脫氫前後穩定苯甲酸衍生物負電荷的因素及取代基效應
論文名稱(外文):Theoretical Studies of the Mechanisms and Substituent Effects in Stabilizing the Negative Charge in Benzonic Acids
指導教授:王小萍
指導教授(外文):Shao-Pin Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:化學系碩博士班
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:142
中文關鍵詞:超共軛天然鍵結軌域誘導效應
外文關鍵詞:natural bond orbital(NBO)inductive effecthyperconjugation
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利用B3LYP/6-31G*計算去質子的X-C6H4COOH及X-C6H4NH(CH3)2+結構。由NBO分析所得到的最佳化路易士結構顯示,C6H5COOH苯基上有三個共軛雙鍵及羰基(COOH基)穩定電子,脫氫前後分子的總能及穩定度會改變;而在接上取代基後X-C6H4COOH及X-C6H4NH(CH3)2+,其總能及穩定度大小,會受到取代基及取代基取代的位置(鄰位、間位、對位)所影響,其總能、酸度、pka值、鍵長、E(2)值、電荷及s-character百分比均會有改變,特別在脫氫後穩定負電荷的因素,在取代基、取代基取代位置、苯環共振效應、超共軛及負超共軛穩定作用是非常重要的因素。
當取代基氟原子的數目愈多時其穩定度愈高,在取代基氟原子的數目相同時,直鏈取代的穩定度高於支鏈取代,且取代基上含氫氧基比氟原子對穩定度的貢獻更大,取代基上不同取代位置影響穩定度,幾乎是對位取代>間位取代>鄰位取代。利用理論計算所得苯甲酸及二甲苯胺衍生物Isodesmic Reaction的DEreaction值,對Sheppard的實驗結果pkawater ethanol值作圖,有很好的線性關係,此乃表示DE0值愈小,其化合物較穩定,酸度也愈高。苯甲酸羰基的穩定度影響酸度,而穩定度由取代基、取代基取代位置及負電荷決定。取代基的誘導效應、共振效應、超共軛、+R character及p-π interaction都會影響到分子的穩定度。
B3LYP/6-31G* calculations have been employed to optimize two series of compounds: X-C6H4COOH and X-C6H4NH(Me)2+ {X=CF3,C2F5, n-C3F7, iso-C3F7, n-C4F9, C(OH)(CF3)2}, followed by Natural Bond Orbital studies. Deprotonated counterparts have also been under studies in order to acquire for supplementary and/or comparative information concerning effects (1) the nature of X and (2) the substitution sites of X on acidity. It is also our goal to probe how valid the hyperconjugation argument can account for the substitution effects of X on the acidity of the two series of compounds.
In the fluorinated alkyl substituents, the number of F-atoms will uniformly lead to higher stabilization energies, an observation predicted by hyperconjugation effects.
The site effects generally follow the order para > meta > ortho, which is also well rationalized by the combination of hyperconjugation with the well-known mesomeric effects. The latter contains +R character and p-p interaction between X and the phenyl system. It is also found, for the CnF2n+1 substituents, branched alkyl groups exert fewer enhancements on the acidity than the non-branched.
Moreover, the OH group shows higher enhancements of the acidity than the F-atom does. The relative acidities are well contrasted to the isodemic reaction energies: a more negative isodemic energy results in a more stable product-system, which in return accompanied by a lower reported pKa value.
摘要………………………………………………………………………… Ⅰ
ABSTRACT………………………………………………………………… Ⅱ
誌謝………………………………………………………………………… Ⅲ
目錄………………………………………………………………………… Ⅴ
表目錄……………………………………………………………………… Ⅷ
圖目錄……………………………………………………………………… Ⅹ
重要的專有名詞及其中文譯名…………………………………………… ⅩⅡ
第一章 緒論……………………………………………………………… 1
第二章 理論背景………………………………………………………… 4
2-1、苯甲酸及二甲苯胺簡介…………………………………………… 4
2-2、共振、超共軛、負超共軛………………………………………… 6
2-2-1 共振…………………………………………………………… 6
2-2-2 超共軛………………………………………………………… 8
2-2-3 誘導效應及共振效應………………………………………… 8
2-2-4 負超共軛……………………………………………………… 10
2-2-5 以分子軌域的觀點來說明負超共軛現象…………………… 13
2-3、pKa值………………………………………………………………… 15
2-4、Hammett substituent constants ………………………………… 18
2-5、Bent's rule…………………………………………………………… 19
2-6、+R character………………………………………….…………… 20
2-7、計算原理……………………………………………………………… 21
2-7-1 基底集合……………………………………………………… 21
2-7-2 密度泛函理論(Density Functional Theory)……………… 22
2-7-3 天然鍵結軌域(NBO)………………………………………… 25
第三章 計算方法…………………………………………………………… 29
3-1、量子化學計算選用方法…………………………………………… 29
3-2、量子化學選用基底…………………………………………….…… 29
3-3、計算軟體…………………………………………………………… 29
3-4、計算指令…………………………………………………………… 31
第四章 結果與討論………………………………………………………… 32
4-1、能量的探討…………………………………………………………. 32
4-1-1 C6H5COOH脫氫前後總能變化………………………………… 32
4-1-2 脫氫前後取代基對穩定C6H5COOH的影響…………………… 32
4-1-3 取代基上不同取代位置對穩定C6H5COO-的影響…………… 34
4-1-4 C6H5NH(CH3)2+ 脫氫前後總能的變化………………………… 38
4-1-5 脫氫前後取代基對穩定C6H5NH(CH3)2+之影響……………… 40
4-1-6 取代基對 X-C6H4COO-酸度的影響…………………………… 43
4-1-7 Isodesmic Reaction ………………………………………… 43
4-2、E(2)值的探討……………………………………………………… 45
4-2-1 C6H5COOH脫氫前後,架橋碳碳鍵的DA作用…………………… 45
4-2-2 C6H5COOH脫氫前後,COOH基上氧碳鍵的DA作用……………… 46
4-2-3 X-C6H4COOH中架橋碳碳鍵donor到COOH基的E(2)值………… 47
4-2-4 X-C6H4COOH中架橋碳碳鍵donor到苯環的E(2)……………… 48
4-2-5 X-C6H4COOH中COOH基及苯環donor到架橋碳碳鍵的E(2)值… 49
4-2-6 X-C6H4COO-中架橋碳碳鍵donor到苯環的E(2)值…………… 50
4-3、負超共軛E(2)值的探討……………………………………………… 51
4-3-1 C6H5COOH脫氫前後LP的不定域化作用………………………… 51
4-3-2 X-C6H4COOH中COOH基上LP的不定域化作用…………………… 53
4-3-3 X-C6H4COO-中COOH基上LP的不定域化作用…………………… 55
4-3-4 X-C6H4COO-中苯環上LP的不定域化作用……………………… 56
4-3-5 X-C6H4COOH中取代基上氟的LP的不定域化作用……………… 57
4-3-6 X-C6H4COO-中取代基上氟的LP的不定域化作用……………… 58
4-4、鍵長的探討…………………………………………………………… 59
4-4-1 C6H5COOH脫氫前後的鍵長……………………………………… 59
4-4-2 X-C6H4COOH中O-H鍵鍵長的變化……………………………… 61
4-4-3 X-C6H4COOH中C=O鍵鍵長的變化……………………………… 63
4-4-4 X-C6H4COOH中C-C鍵鍵長的變化……………………………… 65
4-5、C6H5COOH電荷的探討………………………………………………… 68
4-5-1 C6H5COOH脫氫前後碳的電荷變化……………………………… 68
4-5-2 X-C6H4COOH脫氫前後電荷的變化……………………………… 68
4-5-3 X-C6H4COOH各取代基位置不同電荷的變化…………………… 71
4-5-4 X-C6H4COO-取代前後電荷的變化…………………………… 72
4-5-5 X-C6H4COO-各取代基位置不同電荷的變化………………… 73
4-6、C6H5COOH鍵結軌域(Bond orbital)的探討………………………… 75
4-6-1 COOH基上O-H鍵上氧的s-character…………………………… 75
4-6-2 COOH基上O-H鍵上氧的s-character與O-H鍵的鍵長………… 78
4-6-3 COOH基上架橋碳與O-H鍵上氧的s-character………………… 78
第五章 結論…………………………………………………………………… 79
參考文獻……………………………………………………………………… 140
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