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研究生: 殷介賢
Yen, Chieh-Hsien
論文名稱: 羰基化合物之水解反應的理論研究
Investigation of Hydrolysis of Carboxylic Compounds by NBO Theory
指導教授: 王小萍
Wang, Shao-Pin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系碩士在職專班
Department of Chemistry (on the job class)
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 77
中文關鍵詞: 羰基化合物之水解反應
外文關鍵詞: Investigation of Hydrolysis of Carboxylic Compou
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  • 本篇論文藉由羰基化合物(carboxylic compounds)水解反應的理論研究(結構、能量、天然鍵性軌域),來探討羰基化合物的水解能力。我們以X-CO-Y來代表羰基化合物本身,其中:X = H、CH3、n-C3H7、C6H5等4種取代基,Y = F、Cl、Br、NH2、NHCH3、N(CH3)2、OCH3、OC2H5、OC3H7、SH、SCH3、C6H5等12種離去基。
    根據水解反應能,當X = CH3、n-C3H7、C6H5時我們可以將其水解能力大致區分成三個部分:C6H5、Cl、SH、Br、SCH3>>NH2、N(CH3)2、F、NHCH3>OC3H7、OC2H5、OCH3;而當X = H時,後兩個部分的排列順序則變成OC2H5、OC3H7、F、NH2>NHCH3、OCH3、N(CH3)2。根據計算結果,發現水解能力比較強的羰基化合物會有以下幾個特點:C-Y鍵能比較低,C-Y鍵長比較長,C=O電荷差比較小,斷鍵反應的△E(2)值比較低,水解反應的△E(2)值比較高,lp2(O) →*C-Y的E(2)值比較大;而水解能力比較弱的則正好相反。由於Cl、SH、Br、SCH3擁有比較大的原子,以及C6H5擁有的*軌域,因此使得lp2(O) →*C-Y的E(2)值比較大,所以弱化C-Y鍵而導致水解反應容易進行。F原子因陰電性大使鍵能較大,根據計算結果其E(2)值比較大弱化C-Y鍵亦導致水解反應容易進行。其他的離去基可能的原因為所擁有的原子比較小,再加上本身並不含有利lp2(O) →*C-Y進行的因素,所以水解反應不容易進行。

    Effects of the leaving group (Y = F, Cl, Br, NH2, NHCH3, N(CH3)2, OCH3, OC2H5, OC3H7, SH, SCH3, C6H5) on the hydrolysis of carboxylic compounds, X-CO-Y, have been studies by molecular orbital calculations. When X = CH3, n-C3H7 and C6H5, capabilities of X-CO-Y in undergoing hydrolysis are in the trend C6H5, Cl, SH, Br, SCH3 >> NH2, N(CH3)2, F, NHCH3 > OC3H7, OC2H5, OCH3. In the H-CO-Y series, a slight change for F and OR groups: C6H5, Cl, SH, Br, SCH3 >> OC2H5, OC3H7, F, NH2 > NHCH3, OCH3, N(CH3)2. The trend is generally understood based on the conjugation along Y-C=O fragments: a better mesomeric effect: Leaving groups that better in conjugation with carbonyl group will reduce the extents of hydrolysis of carboxylic compound.
    For Y = F, the high tendency for hydrolysis can be explained by delocalization of the oxygen’s lone-pair electron(s) to the C-Y sigma antibonding. This is found by second-order perturbation energy analysis within the Natural Bond Orbital approach, which indicates the larger hyperconjugative interactions, lp2(O) → *C-Y, weakens the C-F bond more pronouncedly. This is ascribed to the low-lying energy of the *C-Y.

    中文摘要……………………………………………………..……….. I 英文摘要………………………………………………………..…….. II 謝誌…………………………………………………………………… III 目錄…………………………………………………………..……….. IV 表目錄…………………………………………………...……………. VII 圖目錄……………………………………………………..………….. VIII 第一章 緒論……………………………………………..…………… 1 1-1 研究背景………………………………………………………. 1 1-2 研究動機…………………………………………………...….. 7 1-3 研究方向……………………………………………………..... 8 第二章 理論背景…………………………………………………….. 11 2-1 天然鍵性軌域( natural bond orbital,NBO )……………….… 11 2-2 NBO Fock matrix值………………………………………….. 13 2-3 軌域能差………………………………………………...…….. 16 第三章 計算方法與模擬水解反應的做法…………………..……… 17 3-1 羰基化合物的最佳化加頻率加計算..…………….…......…… 17 3-1-1 前言………………………...………….,………………. 17 3-1-2 輸入格式及輸入指令的函數說明………...……..…..... 17 3-1-3 無法為零之修正方法………...……..…………….....… 18 3-2水解反應之計算…..……………………….….…..…………… 18 3-2-1 水解能之計算 ………………………………………… 18 3-2-2 鍵能之計算…………………………………………...... 19 3-3數據整理…..……………………….….………………..……… 20 3-3-1 水解(△E)值之數據整理 …………………………..… 20 3-3-2 鍵能(△Ebond)值之數據整理 ……………………...….. 20 3-4 E(2)值數據整理方法…..……...………….….………………… 21 3-4-1 水解之E(2)值尋找方法 ………………...………….… 21 3-4-2 以上述的方法找尋各鍵能之E(2)值………………….. 23 3-5水解之△H298.15K值數據整理方法…..…………………………. 23 第四章 結果與討論………………………………..………………… 25 4-1 計算結果說明…………………………………………………. 25 4-2 C-Y鍵能與水解反應能之間的關係……….……………....... 26 4-2-1水解之△E值對△H值比較分析………………….…… 28 4-2-2 △H(C-Y鍵能)298.15K與文獻值比對………………....… 29 4-2-3水解之△E對C-Y鍵能之比較……………………..… 30 4-3 C-Y鍵長與C-Y鍵能與水解反應能之間的關係………… 32 4-3-1比較C-Y鍵長與水解反應能之關係………….…….. 32 4-3-2 C-Y鍵長與C-Y鍵能之關係………………….…… 32 4-4 C=O鍵長與水解反應能之間的關係………….…………..… 33 4-5 C=O電荷差值與水解反應能之間的關係………..…………. 33 4-6 △E(2)值與水解反應能之間的關係…………………...……… 34 4-6-1結果推論……………….………………………..……… 35 4-7 lp(O) →σ*C-Y與水解反應能之間的關係………………...…. 36 4-7-1結果推論……………….………………………….…… 38 4-8總結討論…………………………………………..…………… 39 第五章 結論…..….….….….….….….….….….….….….…………... 47 參考文獻……...….….….….….….….….….….….….….….………... 49 附錄……………………………………………………..…………….. 51

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    下載圖示 校內:2008-06-14公開
    校外:2008-06-14公開
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