摘要：在M06-2X/SMD/6-311+G（d，p）理論水平下，研究水液相1個(gè)大氣壓、310.15K溫度下依達(dá)拉奉（Eda）酮式異構(gòu)體與超氧化氫自由基（·HO2）的反應(yīng)機(jī)理.結(jié)果表明：Eda酮式異構(gòu)體與·HO2的反應(yīng)有抽H、加成和單電子轉(zhuǎn)移3個(gè)過(guò)程；抽H反應(yīng)主要通過(guò)·HO2抽取雜環(huán)H和甲基H實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)的自由能壘為77.1～78.7kJ/mol；加成反應(yīng)可通過(guò)·HO2加成不飽和C的過(guò)程實(shí)現(xiàn)，加成自由能壘為48.2～95.0kJ/mol；加成到雜環(huán)上與甲基相連的C原子的放熱反應(yīng)最具優(yōu)勢(shì)，自由能壘為48.2kJ/mol；單電子轉(zhuǎn)移的自由能壘為141.1kJ/mol，該過(guò)程不能實(shí)現(xiàn).可見(jiàn)，水液相下Eda酮式異構(gòu)體可通過(guò)抽H和加成反應(yīng)消除·HO2.

關(guān)鍵詞：依達(dá)拉奉酮式異構(gòu)體；超氧化氫自由基；密度泛函理論；過(guò)渡態(tài)；Marcus理論；電子轉(zhuǎn)移；自由能壘

中圖分類(lèi)號(hào)：O641.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5489（2024）05-1254-13

DFT Theoretical Calculation of Reaction between Eda Keto Isomers and Superoxide Hydrogen Radical in Aqueous Liquid Phase

PAN Yu2，JIANGChunxu'，WANG Haolin3，YANG Ying'，DONGLeigang'，WANG Zuocheng.4，LI Bing

（1.Theoretical Com putingCenter，Baicheng Normal University，Baicheng 137000，Jilin Province，China;2.College of Physics and Electronic Information，Baicheng Normal University，Baicheng 137000，Jilin Province，China;3.College of Forest，BeihuaUniversity，Jilin 132013，Jilin Province，China;4.College of Medicine，Hainan Vocational University of Science and Technology，Haikou 571126，China）

Abstract：At the theoretical level of M06-2X/SMD/6-311+G（d，p），we studied the reaction mechanism between Edaravone Eda）keto isomers and superoxide hydrogen radical HO2 in aqueous liquid phase at 1 atmospheric pressure and 310.15 K temperature.The results show that there are three processes in the reaction of Eda keto isomers with HO2：H extraction，addition and single electron transfer.The H extraction reaction is mainly achieved through HO extraction ofheterocyclic H and methyl H，and the free energy barrier of the reaction is 77.1-78.7 kJ/mol.The addition reaction can be realized by the process of HO2 addition to unsaturated C，and the free energy barrier of addition is 48.2-95.0 kJ/mol.The most advantageous exothermic reaction is the addition of C atoms connected to methyl groups on heterocycles，with a free energy barrier of 48.2 kJ/mol.The free energy barrier of single electron transfer is 141.1 kJ/mol，which is impossible.Therefore，the Eda keto isomer in aqueous liquid phase can eliminate·HOz by H extraction and addition reactions.

Keywords：Eda keto isomer;superoxide hydrogen radical;density functional theory;transitionstate;Marcustheory;electrontransfer;free energy barrier

超氧化氫自由基（·HO2）活性氧由生命體的自氧化作用產(chǎn)生，它是生命體內(nèi)羥基自由基（·OH）的前體.·HO2、超氧陰離子自由基（O2-）和·OH等氧自由基的氧化能力強(qiáng)，它們?cè)谏w內(nèi)可通過(guò)氧化反應(yīng)攻擊蛋白質(zhì)和DNA等有機(jī)分子，損傷生命體內(nèi)正常細(xì)胞，并阻礙正常的新陳代謝，最終導(dǎo)致冠心病、痛風(fēng)、腦卒中和癌癥等慢性病以及機(jī)體衰老.·HO2的H原子還會(huì)被體內(nèi)的其他有機(jī)基團(tuán)取代，形成更大的氫超氧自由基（·LO2），攻擊生命體內(nèi)的DNA或RNA等生物大分子，·LO2與胸腺嘧啶和堿基的加成反應(yīng)還會(huì)導(dǎo)致DNA遺傳信息改變[2.不健康的生活方式、惡劣的情緒以及電磁波輻射會(huì)使生命體產(chǎn)生大量的·HO2等自由基，強(qiáng)紫外線照射會(huì)導(dǎo)致皮膚產(chǎn)生·HO2等自由基，及時(shí)消除各種自由基對(duì)健康有重要作用，因此藥物分子通過(guò)與自由基發(fā)生反應(yīng)從而消除自由基的研究具有重要意義.

文獻(xiàn)[4-6]研究表明，依達(dá)拉奉（Eda，C10H10N2O）有較好的抗氧化和消炎作用，可清除大腦內(nèi)部羥基基團(tuán)；文獻(xiàn)[7]研究表明，Eda分子能有效降低·HO2，O2和·OH等在生命體內(nèi)的含量，從而抑制它們對(duì)生命體的副作用.為從理論上說(shuō)明Eda分子的抗氧化活性，人們開(kāi)展了Eda烯醇式異構(gòu)體與·HO2，·OH和O2等自由基的反應(yīng)機(jī)理研究.孫偉等]研究表明，·HO2抽烯醇式Eda的羥基H是無(wú)勢(shì)壘反應(yīng)，·HO2加成到烯醇式Eda中不飽和C的自由能壘多數(shù)在溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol以下，說(shuō)明烯醇式Eda具有清除·HO2的能力.王玲等[0]研究表明，Eda烯醇式異構(gòu)體與·OH反應(yīng)可通過(guò)抽H、加成和電子轉(zhuǎn)移3個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)能壘為2.8～77.9kJ/mol，低于溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol[9]，說(shuō)明烯醇式Eda具有較好的消除·OH的能力.張雪嬌等[研究表明，O：與Eda烯醇式異構(gòu)體抽H原子反應(yīng)的自由能壘為12.2～139.1kJ/mol，均低于極限反應(yīng)能壘160.6kJ/mol[9]，有些甚至低于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的能壘40.2kJ/mol，說(shuō)明烯醇式Eda具有清除O2的能力.

文獻(xiàn)[12]研究表明，水液相下Eda烯醇式向酮式異構(gòu)的自由能壘為73.4kJ/mol，低于酮式向烯醇式異構(gòu)的能壘82.1kJ/mol，二者能壘均低于溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol，Eda酮式與烯醇式可互變，且Eda酮式比烯醇式的分布高.但Eda酮式異構(gòu)體消除·HO2反應(yīng)的理論研究目前尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道.為對(duì)Eda消除·HO2的機(jī)制有全面認(rèn)識(shí)，并為研究Eda酮式異構(gòu)體消除·OH和O2提供理論依據(jù)，本文在文獻(xiàn)[8，10-11，13-17]的基礎(chǔ)上，對(duì)水液相下Eda酮式異構(gòu)體與·HO2反應(yīng)進(jìn)行研究.

1計(jì)算方法

采用處理主族元素以及氫鍵、范德華力等作用有較好表現(xiàn)的M06-2X[1820]泛函，在分裂彌散基組6-311+G（d，p）[21-22]水平及310.15K和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的水溶劑環(huán)境（即生命體內(nèi)的一般環(huán)境）下，優(yōu)化所有相關(guān)反應(yīng)駐點(diǎn)物種結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定駐點(diǎn)的紅外振動(dòng)無(wú)虛頻，反應(yīng)過(guò)程的過(guò)渡狀態(tài)（鞍點(diǎn)）[2的紅外振動(dòng)有且只有一個(gè)虛頻，過(guò)渡態(tài)與相關(guān)穩(wěn)定駐點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性通過(guò)內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）計(jì)算24]確認(rèn)，為獲得精確的反應(yīng)勢(shì)能面以及相關(guān)復(fù)合物的結(jié)合與解離能，采用MN15[25]泛函，在高角動(dòng)量基組6-311++G（2df，pd）[26]下計(jì)算相關(guān)體系的單點(diǎn)能.在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和單點(diǎn)能計(jì)算時(shí)的水溶劑效應(yīng)采用SMD模型[7]方法處理，物種的自由能是其自由能熱校正與單點(diǎn)能之和，以反應(yīng)物自由能為相對(duì)勢(shì)能零點(diǎn)，繪制反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面；反應(yīng)的自由能壘（活化能）是鞍點(diǎn)（過(guò)渡態(tài)）能量與反應(yīng)物能量之差；反應(yīng)物復(fù)合物RC的結(jié)合能是相關(guān)反應(yīng)物與RC的焓變，產(chǎn)物復(fù)合物PC的解離能為其與解離產(chǎn)物的焓變.

電子轉(zhuǎn)移無(wú)過(guò)渡態(tài)，反應(yīng)能壘△Gr用Marcus理論[28-29]計(jì)算：

其中λ為重組能，可表示為

其中△GSET為產(chǎn)物與反應(yīng)物的自由能變，△EsET為產(chǎn)物與反應(yīng)物的非絕熱能變.

·HO2攻擊7H形成的反應(yīng)物復(fù)合物標(biāo)記為RC-·HO2·7H，·HO2抽取7H的過(guò)渡態(tài)標(biāo)記為T(mén)S_·HO2_7H，得到的產(chǎn)物復(fù)合物標(biāo)記為PC_7H·H2O2；·HO2攻擊1C形成的反應(yīng)物復(fù)合物標(biāo)記為RC-·HO2_1C，·HO2加成到1C的過(guò)渡態(tài)標(biāo)記為T(mén)S_·HO2_1C，·HO2加成到1C得到的產(chǎn)物加合物標(biāo)記為P_·HO2-1C；其他駐點(diǎn)標(biāo)記法與此相似.

采用Gaussian16[30]程序計(jì)算，采用AIM2000程序[31]計(jì)算駐點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)的pBcP（成鍵臨界點(diǎn)BCP的電荷密度）與pRcP（成環(huán)臨界點(diǎn)RCP的電荷密度）及其Laplace值V2p.

2結(jié)果與討論

水溶劑環(huán)境下優(yōu)化的Eda酮式異構(gòu)體構(gòu)型如圖1所示.

計(jì)算表明，·HO2的H原子和2個(gè)O原子的電子自旋密度分別為-0.010，0.300，0.710，單電子在鄰羥基O上分布最多，鄰羥基O原子是·HO2與Eda酮式異構(gòu)體發(fā)生反應(yīng)的最佳位點(diǎn)（反應(yīng)位原子）.研究表明，相似于氨基酸分子與OH自由基的反應(yīng)以及Eda烯醇式異構(gòu)體與·HO2自由基的反應(yīng)，Eda酮式異構(gòu)體與·HO2自由基的反應(yīng)同樣有抽H、加成和電子轉(zhuǎn)移3種情形.

2.1抽H過(guò)程

計(jì)算表明，·HO2抽Eda酮式異構(gòu)體中甲基H和雜環(huán)H遠(yuǎn)低于抽苯環(huán)H的能壘，因此本文對(duì)抽甲基H和雜環(huán)H的過(guò)程進(jìn)行較詳細(xì)討論.對(duì)抽甲基18H過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)無(wú)法形成反應(yīng)物復(fù)合物，該反應(yīng)是直接抽H過(guò)程，能壘相對(duì)較高，因此不進(jìn)行討論.7H是序號(hào)最小的H，該抽H過(guò)程能壘較高且產(chǎn)物復(fù)合物不穩(wěn)定，對(duì)該抽H過(guò)程進(jìn)行較詳細(xì)討論，以便與優(yōu)勢(shì)抽H過(guò)程進(jìn)行比較.反應(yīng)過(guò)程分別如圖2和圖3所示，反應(yīng)過(guò)程的勢(shì)能面如圖4所示.

2.1.1·HO2抽7H

首先，·HO2從無(wú)窮遠(yuǎn)處（物理）攻擊苯環(huán)的7H，當(dāng)·HO2與7H的距離為0.25314nm時(shí)，·HO2與7H發(fā)生庫(kù)侖作用，得到反應(yīng)物復(fù)合物RC-·HO2·7H，放熱0.1kJ/mol（即RC-·HO2·7H的結(jié)合能是0.1kJ/mol）.該能量會(huì)被水溶劑迅速吸收，不能做后續(xù)反應(yīng)的可資用能，后文相似處不再贅述.RC-·HO2·7H較Eda+·HO2體系穩(wěn)定，·HO2抽取7H過(guò)程是先形成反應(yīng)物復(fù)合物，再經(jīng)過(guò)渡狀態(tài)抽H的間接抽H過(guò)程，下文相似處不再贅述.

其次，RC-·HO2·7H的2C-7H鍵長(zhǎng)從0.10811nm拉伸至0.13963 nm，其pBcp從0.28397減小至0.11976，V2p從-0.99075變?yōu)?0.11579，共價(jià)鍵2C-7H強(qiáng)度顯著減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO27H，該過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的自由能壘為118.4kJ/mol.然后越過(guò)過(guò)渡態(tài)，7H繼續(xù)向26O遷移，與·HO2結(jié)合成H2O2分子，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_7H·H2O2，其能壘為118.4kJ/mol，接近反應(yīng)進(jìn)行十分緩慢的能壘120.0kJ/mol，說(shuō)明·HO2抽取Eda酮式異構(gòu)體7H的過(guò)程十分緩慢，即Eda酮式異構(gòu)體利用提供7H消除H2O2自由基的速率十分緩慢.

最后，PC_7H·H2O2解離成PC_7H自由基和H2O2，解離能為20.5kJ/mol，該過(guò)程可通過(guò)分子碰撞實(shí)現(xiàn).NPA電荷計(jì)算表明，PC_7H·H2O2中H2O2的電荷量接近0，解離后得到H2O2的電荷量為0，說(shuō)明該·HO2抽7H過(guò)程是H原子遷移.H2O2各原子電子自旋密度均為0，失去氧化能力，下文相似之處不再贅述.

2.1.2·HO2抽8H

首先，·HO2與8H發(fā)生庫(kù)侖作用（26O與8H的距離為0.26709nm），得到RC-·HO2·8H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱2.4 kJ/mol.其次，RC-·HO2·8H的3C-8H鍵長(zhǎng)從0.10842nm拉伸至0.13930nm，3C-8H共價(jià)鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO28H，該過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為115.5kJ/mol.然后越過(guò)過(guò)渡態(tài)，8H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_8H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.該反應(yīng)的能壘接近反應(yīng)進(jìn)行十分緩慢的能壘120.0kJ/mols，說(shuō)明Eda酮式異構(gòu)體通過(guò)提供8H消除H2O2自由基的速率十分緩慢.最后，PC_8H·H2O2解離成PC_8H自由基和H2O2，解離能為5.4kJ/mol，該過(guò)程容易實(shí)現(xiàn).

2.1.3·HO2抽9H

首先，·HO2與9H發(fā)生庫(kù)侖作用（26O與9H的距離為0.27338nm），得到RC-·HO2·9H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱0.2kJ/mol.其次，RC-·HO2·9H的4C-9H鍵長(zhǎng)從0.10836nm拉伸至0.14099nm，4C-9H共價(jià)鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO2_9H，該過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為115.6kJ/mol.然后9H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_9H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.Eda酮式異構(gòu)體通過(guò)提供9H消除H2O2自由基的速率也十分緩慢.最后，PC_9H·H2O2解離成PC_9H自由基和H2O2，解離能為2.7kJ/mol.

2.1.4·HO2抽10H

首先，·HO2與10H發(fā)生庫(kù)侖作用（26O與10H的距離為0.26984nm），得到RC-·HO2·10H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱2.2kJ/mol.其次，RC-·HO2·10H的5C-10H鍵長(zhǎng)從0.10843nm拉伸至0.300370.13957nm，5C-10H共價(jià)鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO。10H，其產(chǎn)生的能壘為112.3kJ/mol.然后，10H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_10H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.Eda酮式異構(gòu)體通過(guò)提供10H消除H2O2自由基的速率也十分緩慢.最后，PC_10H·H2O2解離成PC_9H自由基和H2O2，解離能為5.7 kJ/mol.

2.1.5·HO2抽11H

首先，·HO2與11H發(fā)生庫(kù)侖作用，同時(shí)與13N發(fā)生氫鍵作用（26O與11H的距離為0.26921nm，24H與13N的距離為0.16619nm），得到RC-·HO2·11H反應(yīng)物復(fù)合物，放熱28.3kJ/mol.其次，RC-·HO2·11H的6C-11H鍵長(zhǎng)從0.10837nm拉伸至0.14047nm，6C-11H共價(jià)鍵強(qiáng)度顯著減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO。11H，其產(chǎn)生的能壘為140.7kJ/mol.然后，11H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_11H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.最后，PC_11H·H2O2解離成PC_11H自由基和H2O2，解離能為18.6 kJ/mol.過(guò)渡態(tài)TS·HO211H產(chǎn)生的能壘140.7kJ/mol接近反應(yīng)很難進(jìn)行的能壘145.0 kJ/mol，說(shuō)明Eda酮式異構(gòu)體不能通過(guò)提供11H消除·HO2.

2.1.6·HO2抽19H

首先，·HO2攻擊甲基的19H，當(dāng)26O與19H的距離為0.30037nm時(shí)，26O與19H發(fā)生庫(kù)侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)物復(fù)合物RC-·HO2·19H（結(jié)合能為8.5kJ/mol）.其次，RC-·HO2·19H的17C-19H鍵長(zhǎng)從0.10837 nm拉伸至0.12757 nm，其pBcP從0.27196減小為0.16283，V2p從-0.90359變?yōu)?0.28891，17C-19H共價(jià)鍵強(qiáng)度減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO219H，過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為77.1kJ/mol.然后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，19H繼續(xù)向26O遷移，得到PC_19H·H2O2產(chǎn)物復(fù)合物.過(guò)渡態(tài)TS·HO219H產(chǎn)生的能壘77.1kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ/mol9，說(shuō)明酮式Eda可通過(guò)提供19H消除·HO2.最后，PC_19H·H2O2解離成PC_19H自由基和H2O2，解離能為11.7 kJ/mol.

2.1.7·HO2抽20H

首先，·HO2從無(wú)窮遠(yuǎn)處攻擊20H，當(dāng)26O與20H的距離為0.32398nm時(shí)，26O與20H發(fā)生庫(kù)侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)復(fù)合物RC-·HO2·20H（結(jié)合能為11.4kJ/mol）.其次，17C-20H鍵長(zhǎng)從0.10931nm拉伸至0.12754nm，共價(jià)鍵強(qiáng)度減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO。20H，產(chǎn)生的能壘為75.9kJ/mol.然后，20H繼續(xù)向26O遷移，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_20H·H2O2.75.9kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘84.5kJ/mol，說(shuō)明Eda酮式異構(gòu)體可通過(guò)提供甲基氫20H消除·HO2.最后，PC_20H·H2O2解離成PC_20H自由基和H2O2，解離能為16.4 kJ/mol.

2.1.8·HO2抽21H

首先，·HO2從無(wú)窮遠(yuǎn)處攻擊雜環(huán)的21H，當(dāng)26O與21H的距離為0.26337nm時(shí)，26O與21H發(fā)生庫(kù)侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)物復(fù)合物RC-·HO2·21H（結(jié)合能為8.4kJ/mol）.其次，15C-21H鍵長(zhǎng)從0.10925nm拉伸至0.13084nm，共價(jià)鍵強(qiáng)度減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO。21H，能壘為78.7kJ/mol.然后，21H繼續(xù)向26O遷移，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_21H·H2O2.78.7kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘84.5kJ/mol，說(shuō)明Eda酮式異構(gòu)體可通過(guò)提供雜環(huán)氫21H消除·HO2.最后，PC_21H·H2O2解離成PC_21H自由基和H2O2，解離能為10.5 kJ/mol.

2.1.9·HO2抽22H

與上述情況相比，·HO2抽22H的抽H能壘最低，產(chǎn)物復(fù)合物最穩(wěn)定.首先，·HO2從無(wú)窮遠(yuǎn)處攻擊雜環(huán)氫22H，當(dāng)26O與22H的距離為0.29523nm時(shí)，26O與22H發(fā)生庫(kù)侖作用，24H與雜環(huán)及苯環(huán)π-氫鍵作用，得到反應(yīng)復(fù)合物RC-·HO2·22H，結(jié)合能為10.8kJ/mol.其次，15C-22H鍵長(zhǎng)從0.10936nm拉伸至0.12920nm，其pBce從0.27010減小至0.15390，V2p從-0.89682變?yōu)?0.24513，共價(jià)鍵強(qiáng)度減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO。22H，能壘為75.5kJ/mol.然后，22H繼續(xù)向26O遷移，得到產(chǎn)物復(fù)合物PC_22H·H2O2.75.5kJ/mol低于溫和反應(yīng)能壘84.5kJ/mol[a]，酮式Eda可通過(guò)提供22H消除·HO2.最后，PC_22H·H2O2解離成PC_22H自由基和H2O2，解離能為12.0kJ/mol.

由圖4可見(jiàn)，·HO2抽H的自由能壘為0～140.7kJ/mol，均低于極限反應(yīng)能壘160.6kJ/mol[9]，Eda酮式異構(gòu)體可通過(guò)提供H原子消除·HO2.·HO2抽雜環(huán)及甲基H的能壘均低于溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol，遠(yuǎn)低于抽苯環(huán)H的能壘.原因是雜環(huán)及甲基的C-H鍵比苯環(huán)的C-H鍵紅外振動(dòng)頻率小，C-H鍵活化程度好，·HO2抽雜環(huán)及甲基H比抽苯環(huán)H的C-H鍵長(zhǎng)改變小.抽苯環(huán)H的產(chǎn)物復(fù)合物相對(duì)不穩(wěn)定，表明·HO2抽H反應(yīng)活性位點(diǎn)是雜環(huán)及甲基H.

2.2加成過(guò)程

研究表明，·HO2可加成到除雜環(huán)碳15C和甲基碳17C外所有不飽和的碳和氮上.對(duì)·HO2加成到1C（序號(hào)最?。┖?4C（能壘最小）的反應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)討論，其他情況只做一般討論.反應(yīng)過(guò)程分別如圖5和圖6所示，反應(yīng)的勢(shì)能面如圖7所示.

2.2.1·HO2加成到1C

首先，·HO2從物理無(wú)窮遠(yuǎn)處攻擊1C，當(dāng)26O-1C距離為0.32473nm時(shí)，pBcP和V2p分別為0.00663，0.02045，26O與1C發(fā)生庫(kù)侖作用；同時(shí)，24H與苯環(huán)在π-氫鍵作用下形成RC-·HO21C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為12.1kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-1C距離為0.18216nm時(shí)，二面角1C-2C-3C-4C從0.7°變?yōu)?5.3°，1C-2C-3C-5C從0.8°變?yōu)?6.2°，1C-2C-3C-6C從0.5°變?yōu)?6.3°，苯環(huán)的RCP和V2p分別從0.02260，0.16519降為0.02182，0.15849，苯環(huán)形變其大π鍵作用減弱；二面角12N-1C-2C-6C從-179.2°變?yōu)?49.7°，形成過(guò)渡態(tài)TS_·HO2_1C，過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為95.0kJ/mol.最后越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-1C鍵長(zhǎng)減小至0.14711nm時(shí)，其pCP和V2p分別為0.23579，-0.48364，26O-1C共價(jià)鍵作用，完成·HO2向1C的加成，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-1C.

2.2.2·HO2加成到2C

首先，·HO2攻擊2C，當(dāng)26O-2C距離為0.32734nm時(shí)，26O與2C發(fā)生庫(kù)侖作用，24H與苯環(huán)在π-氫鍵作用下形成RC-·HO2_2C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為12.4kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-2C距離為0.18664nm時(shí)，苯環(huán)形變，共面性變差，其大π鍵作用減弱，過(guò)渡態(tài)TS_·HO22C形成，過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為73.6kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-2C鍵長(zhǎng)減小至0.14564nm時(shí)，形成26O-2C共價(jià)鍵，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-2C.

2.2.3·HO2加成到3C

首先，·HO2攻擊3C，當(dāng)26O-3C距離為0.33441nm時(shí)，·HO2與Eda分子在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_3C反應(yīng)復(fù)合物，結(jié)合能為9.1kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-3C距離為0.18340nm時(shí)，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS_·HO2_3C，過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為85.2kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-3C鍵長(zhǎng)減小至0.14527nm時(shí)，形成26O-3C共價(jià)鍵，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-3C.

2.2.4·HO2加成到4C

首先，·HO2攻擊4C，當(dāng)26O-4C距離為0.33207nm時(shí)，·HO2與Eda分子（苯環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下形成RC-·HO24C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為9.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-4C距離為0.18726nm時(shí)，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS_·HO24C，過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為73.9kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-4C鍵長(zhǎng)減小至0.14588nm時(shí)，形成26O-4C共價(jià)鍵，得到加合產(chǎn)物P·HO2-4C.

2.2.5·HO2加成到5C

首先，·HO2攻擊5C，當(dāng)26O-5C距離為0.33046nm時(shí)，·HO2與Eda分子（苯環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_5C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為10.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-5C距離為0.18356nm時(shí)，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO25C，過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為83.9kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-5C鍵長(zhǎng)減小至0.14571nm時(shí)，26O-5C共價(jià)鍵作用，得到加合產(chǎn)物P·HO2-5C.

2.2.6·HO2加成到6C

首先，·HO2攻擊6C，當(dāng)26O-5C距離為0.33222nm時(shí)，·HO2與Eda分子（苯環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_6C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為10.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-6C距離為0.18571nm時(shí)，苯環(huán)共面性變差，大π鍵作用減弱，形成過(guò)渡態(tài)TS_·HO26C，過(guò)渡態(tài)產(chǎn)生的能壘為69.7kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向苯環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-6C鍵長(zhǎng)減小至0.14562nm時(shí)，26O-6C共價(jià)鍵作用，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-6C.

2.2.7·HO2加成到14C

首先，·HO2攻擊14C，當(dāng)26O-14C距離為0.29838nm時(shí)，p和V2p分別為0.00891，0.03043，26O與14C發(fā)生庫(kù)侖作用；同時(shí)，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，形成RC-·HO214C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為9.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-14C距離為0.20020nm時(shí)，形成過(guò)渡態(tài)TS_·HO2_14C.從RC-·HO214C到TS_·HO2_14C過(guò)程，雜環(huán)的二面角12N-13N-14C-15C從-0.9°變?yōu)?14.2°，13N-14C-15C-16C從0.9°變?yōu)?2.5°，雜環(huán)C與甲基C的二面角14C-15C-16C-17C從0.7°變?yōu)?6.6°，pRCP從0.04910降至0.04873，雜環(huán)與甲基的大π鍵作用減弱，TS_·HO2_14C產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為48.2kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-14C鍵長(zhǎng)減小至0.14312nm時(shí)，其pBP和V2p分別為0.28219，-0.97880，26O-14C共價(jià)鍵作用，完成·HO2向14C的加成，得到加合產(chǎn)物P_·HO2-14C.

2.2.8·HO2加成到16C

首先，·HO2攻擊16C，當(dāng)26O-14C距離為0.28413nm時(shí)，26O與14C發(fā)生庫(kù)侖作用，24H與雜環(huán)π-氫鍵作用，形成RC-·HO2_16C反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為10.6kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-16C距離為0.18465nm時(shí)，形成過(guò)渡態(tài)TS_·HO2_16C.從RC-·HO2_16C到TS·HO2_16C過(guò)程，雜環(huán)形變，大π鍵作用減弱，TS_·HO2_16C產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為81.5kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-16C鍵長(zhǎng)減小至0.13710nm，同時(shí)12N-16C共價(jià)鍵斷裂，·HO2加成到16C，形成加合產(chǎn)物P_·HO2-16C.

2.2.9·HO2加成到12N

該過(guò)程是直接加成.首先，·HO2從無(wú)窮遠(yuǎn)處攻擊12N，不形成反應(yīng)復(fù)合物.當(dāng)26O-12N距離為0.15515nm時(shí)，形成過(guò)渡態(tài)TS_·HO2_12N.從Eda到TS_·HO2_12N過(guò)程，雜環(huán)嚴(yán)重形變，大π鍵作用顯著減弱，TS·HO212N產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為321.5kJ/mol.其次，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-12N鍵長(zhǎng)減小至0.14214nm時(shí)，·HO2加成到12N，形成加合產(chǎn)物P_·HO-12N.

2.2.10·HO2加成到13N

該過(guò)程是間接加成.首先，·HO2攻擊13N，當(dāng)26O-13N距離為0.30876nm時(shí)，·HO2與Eda分子（雜環(huán)部分）在π-氫鍵和范德華力作用下，形成RC-·HO2_13N反應(yīng)物復(fù)合物，結(jié)合能為9.7kJ/mol.其次，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-13N距離為0.15543nm時(shí)，形成過(guò)渡態(tài)TS·HO213N.從RC-·HO213N到TS·HO213N過(guò)程，雜環(huán)嚴(yán)重形變，大π鍵作用減弱，TS_·HO213N產(chǎn)生的內(nèi)稟能壘為139.5kJ/mol.最后，越過(guò)過(guò)渡態(tài)，·HO2繼續(xù)向雜環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)26O-13N鍵長(zhǎng)減小至0.14463nm，·HO2加成到13N，形成加合產(chǎn)物P·HO2-13N.

由圖7可見(jiàn)，·HO2與Eda酮式異構(gòu)體的相關(guān)C原子加成反應(yīng)能壘為48.2～95.0kJ/mol，低于或接近溫和反應(yīng)能壘83.6kJ/mol[a]，Eda酮式異構(gòu)體可通過(guò)·HO2與其不飽和C的加成反應(yīng)消除·HO2.·HO2與Eda酮式異構(gòu)體的N原子加成反應(yīng)能壘為139.5～321.5kJ/mol，接近或高于極限反應(yīng)能壘160.6kJ/mola]，Eda酮式異構(gòu)體不能通過(guò)·HO2與其不飽和N的加成反應(yīng)消除·HO2.·HO2與14C的加成反應(yīng)最具優(yōu)勢(shì)，加成能壘為48.2kJ/mol，接近反應(yīng)極易進(jìn)行的能壘45.5kJ/mol，說(shuō)明Eda酮式異構(gòu)體與·HO2加成反應(yīng)的活性位點(diǎn)是雜環(huán)的14C.·HO2與14C的加成反應(yīng)產(chǎn)物最穩(wěn)定，反應(yīng)是放熱過(guò)程.而其他加成過(guò)程的加成產(chǎn)物相對(duì)不穩(wěn)定，反應(yīng)是吸熱過(guò)程，其中·HO2與N的加成反應(yīng)產(chǎn)物不穩(wěn)定，反應(yīng)不能實(shí)現(xiàn).

2.3單電子轉(zhuǎn)移過(guò)程

單電子從Eda分子酮式異構(gòu)體向。HO2轉(zhuǎn)移，得到Edat和。HO2的反應(yīng)過(guò)程以及相關(guān)物種的電荷分布（NPA電荷）如圖8所示.

通過(guò)對(duì)基于反應(yīng)物的產(chǎn)物Edat和HO2的高水平單點(diǎn)能計(jì)算，以及優(yōu)化的反應(yīng)物Eda酮式異構(gòu)體和·HO2的高水平單點(diǎn)能計(jì)算，得到反應(yīng)過(guò)程的非絕熱能之差A(yù)Eser=213.0 kJ/mol.通過(guò)對(duì)產(chǎn)物Edat和.HO，（優(yōu)化的）與反應(yīng)物Eda分子酮式異構(gòu)體和.HO2（優(yōu)化的）的高水平單點(diǎn)能及自由能校正計(jì)算，得到反應(yīng)的自由能之差A(yù)GSET=132.6 kJ/mol.將數(shù)據(jù)代入式（2）得到反應(yīng)的重組能A=80.4 kJ/mol.將數(shù)據(jù)代入式（1）得到Eda分子酮式異構(gòu)體的單電子向.HO2轉(zhuǎn)移的自由能壘AGtr=143.7 kJ/mol.該能壘低于反應(yīng)不能進(jìn)行的能壘160.5kJ/mol[9]，但遠(yuǎn)高于溫和反應(yīng)能壘83.6 kJ/mol[9]，說(shuō)明水溶劑環(huán)境下電子從Eda酮式異構(gòu)體向.HO2轉(zhuǎn)移反應(yīng)很慢，Eda酮式異構(gòu)體通過(guò)電子轉(zhuǎn)移消除·HO2的速率很小.

3結(jié)論

綜上所述，本文在MN15/SMD/6-311++G（2df，pd）//M06-2X/SMD/6-311+G（d，p）雙水平下研究了水溶劑環(huán)境1個(gè)大氣壓310.15 K溫度下Eda酮式異構(gòu)體與·HO2的反應(yīng)機(jī)理，得到如下結(jié)論：

1）Eda酮式異構(gòu)體與·HO2的反應(yīng)有抽H、加成和單電子轉(zhuǎn)移3種方式；

2）抽H反應(yīng)主要在抽取雜環(huán)H和甲基H的反應(yīng)通道實(shí)現(xiàn)，能壘為77.1～78.7kJ/mol；加成反應(yīng)主要在.HO2加成到與甲基相連的雜環(huán)C的反應(yīng)通道實(shí)現(xiàn)，能壘為48.2kJ/mol；單電子從Eda酮式異構(gòu)體向.HO2轉(zhuǎn)移的能壘為141.1 kJ/mol，該反應(yīng)不能實(shí)現(xiàn).

綜上可見(jiàn)，水溶劑環(huán)境下Eda酮式異構(gòu)體可以通過(guò)抽H和加成過(guò)程消除·HO2.

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（責(zé)任編輯：?jiǎn)文?/p>