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研究生: 梁瑾瑩
Liang, Chin-Ying
論文名稱: 利用 NBO 理論探討有機酸衍生物的水解反應
Investigation of Hydrolysis of Carboxylic Acid Derivatives by NBO Theory
指導教授: 蘇世剛
Su, Shyh-Gang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 152
中文關鍵詞: 水解孤電子對天然鍵性軌域有機酸衍生物
外文關鍵詞: hydrolysis, carboxylic acid derivatives, natural bond orbital, lone pair
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  • 本篇論文主要是以天然鍵性軌域理論(NBO)的『donor-acceptor interaction』概念為基礎,探討有機酸衍生物的水解反應。首先我們討論無攻擊劑狀態時,有機酸衍生物分子內的電荷轉移情形,再衍生到這些分子發生水解反應時,分子內及分子間的電荷移轉。

    計算有機酸衍生物,我們發現碳醯基氧上孤對電子對具有削弱鄰近σC-X*鍵的能力,且愈易離去的離去基,其『lpC=O→σC-X*』能量越大。主要是因為愈易離去的離去基,本身分子中的σC-X* 軌域能量較穩定,所以『lpC=O→σC-X*』能量較大。

    在模擬水解反應部分,我們分成有機酸衍生物(CH3COX,X=F、Cl、Br、OCH3)的中性水解反應及乙酸甲酯(CH3COOCH3)的鹼性水解反應。我們得到無論中性與鹼性的狀況,攻擊劑上的孤電子對主要都是扮演削弱πC=O的角色,且削弱πC=O之後,間接提升碳醯基氧上孤電子對的軌域能量,縮短孤電子對與σC-X*的能差。攻擊劑以這樣的方式幫助反應進行,但是最後離去基的離去仍取決於σC-X*本身的軌域能階高低。模擬乙醯氟與乙酸甲酯的中性水解及乙酸甲酯的鹼性水解,我們發現它們本身σC-X*軌域能量較乙醯溴及乙醯氯來的高,因此就算攻擊劑有幫助反應進行,最後離去基仍未離去。

    Donor-acceptor interaction concept of the natural bond orbital theory was applied to evaluate charge transfer in carboxylic acid derivatives and in hydrolysis of carboxylic acid derivatives in our study respectively.

    In our calculations of carboxylic acid derivatives, lone pair on the oxygen atom of carbonyl group was observed to donate to neighbor σC-X* orbital. And the better leaving group has more 『lpC=O→σC-X*』interaction energies by it’s lowerσC-X* orbital energy.

    For hydrolysis of carboxylic acid derivatives, we calculate CH3COX(X= F、Cl、Br、OCH3)in water and CH3COX(X= OCH3)in base-catalyzed surroundings respectively. The results are similar in different cases, that lone pair on nucleophilic reagent mainly donates to πC=O* orbital, result in energy increasing of lone pair on the oxygen atom of carbonyl group. Furthermore, the energy gap between the lone pair on the oxygen atom of carbonyl group and σC-X* orbital will get smaller. The nucleophilic reagent helps hydrolysis reaction processing with this way. However the leaving group leaves or not depending on σC-X* orbital energy. To simulating hydrolysis of acetyl fluoride and methyl acetate in water and hydrolysis of methyl acetate in base-catalyzed surroundings, we found that their σC-X* orbital energy is higher than acetyl chloride and acetyl bromide. Although the nucleophile reagent helps reaction processing, the leaving group still did not leave.

    目錄 中文摘要… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. I 英文摘要… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. II 目錄… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. III 表目錄… … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … … . VII 圖目錄… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. VIII 第一章序論… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 1-1 研究背景… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … . 1 1-2 研究動機… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 6 1-3 研究方向… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 7 第二章理論背景… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… .… … . 10 2-1 天然鍵性軌域( natural bond orbital,NBO )… … … … … ..… .… … … 10 2-2 NBO Fock matrix 值… … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 12 2-3 軌域能差… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 15 第三章計算方法與模擬水解反應的做法… … … … … … … … … … … … … 16 3-1 有機酸衍生物的最佳化計算..… … … … … .… ...… … … … … … … … 16 3-1-1 前言… … … … … … … … … ...… … … … ..… .… … … … … … … . 16 3-1-2 輸入格式及輸入指令的函數說明… … … ...… … ..… … … … .. 16 3-2 模擬水解反應之計算… ..… … … … … … … … … .… .… … … … … … .. 19 3-2-1 方法一..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 19 3-2-1-1 起始距離的獲得… … … … … … … … … .… … … … ... 20 3-2-1-2 最末距離的獲得… … … … … … … .… … … … … … ... 21 3-2-2 方法二… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 24 第四章結果與討論… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 31 4-1 前言… … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … . 31 4-2 實驗結果… … … … ...… … … … … … … … .… … … … … … … … … … .. 34 4-2-1 有機酸衍生物的計算… … … … … … … … … … … … … … … ... 35 4-2-1-1 孤電子對的比較… … … … … … … … .… … … … … ... 35 4-2-1-2 不同離去基之『donor-acceptor interaction』分析.. 36 4-2-1-3 結果總結推論… … … … … … … … … … … … … … … 40 4-2-2 模擬水解反應能障與實驗活化能比較… … … … … … … … . 40 4-2-2-1 中性下模擬乙醯氯水解反應… … … … … … … … … 40 4-2-2-2 鹼性下模擬乙酸甲酯水解反應… … … … … … … … 42 4-2-2-3 法蘭克-康登因子的計算… … … … … … … … .… … . 87 4-2-3 模擬水解反應過程,分子的構形變化… … … … … … … … . 43 4-2-4 中性下模擬乙醯氯水解反應… … … … … … … … … … … … . 46 4-2-4-1『donor-acceptor interaction』分析… … … … … … … 46 4-2-4-2 其他結果… … … … … … … … … … … … … … … … … 60 4-2-4-3 總結推論… … … … … … … … … … … … … … … … … 62 4-2-5 中性下模擬乙醯溴水解反應結果… … … … … … … … … … ... 63 4-2-5-1 相對分子總能… … … … … … … … … … … … … … … 63 4-2-5-2『donor-acceptor interaction』分析… … … … … … … 64 4-2-5-3 其他結果… … … … … … … … … … … … … … … … … 74 4-2-5-4 總結推論… … … … … … … … … … … … … … … … … 76 4-2-6 中性下模擬乙醯氟水解反應結果… … … … … … … … … … ... 77 4-2-6-1 中性下模擬乙醯氟水解反應的分子總能… … … … 77 4-2-6-2『donor-acceptor interaction』分析… … … … … … … 78 4-2-6-3 其他結果… … … … … … … … … … … … … … … … … 88 4-2-6-4 總結推論… … … … … … … … … … … … … … … … … 90 4-2-7 中性下模擬乙酸甲酯水解反應結果… … … … … … … … … ... 90 4-2-7-1 中性下模擬乙酸甲酯水解反應的分子總能… … … 90 4-2-7-2『donor-acceptor interaction』分析… … … … … … … 91 4-2-7-3 其他結果… … … … … … … … … … … … … … … … … 101 4-2-7-4 總結推論… … … … … … … … … … … … … … … … … 103 4-2-8 鹼性下模擬乙酸甲酯水解反應結果… … … … … … … … … ... 103 4-2-8-1『donor-acceptor interaction』分析… … … … … … … 105 4-2-8-2 其他結果… … … … … … … … … … … … … … … … … 116 4-2-8-3 總結推論… … … … … … … … … … … … … … … … … 118 4-3 實驗討論… … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … … . 118 4-3-1 中性下模擬有機酸衍生物水解反應的比較… … … … … … ... 118 4-3-2 中性及鹼性下模擬乙酸甲酯水解反應的比較… … … … … ... 122 第五章結論.… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… … … … ... 125 第六章未來展望… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… … … … . 127 參考文獻… ..… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… .… … … ... 129 附錄… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 131

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    下載圖示 校內:2006-07-09公開
    校外:2008-07-09公開
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