有機化學中的拓撲量子方法

前言

化合物的分子結(jié)構(gòu)與性能/活性的定量關系，是有機化學中最基本的理論問題。該理論問題一直備受關注，并被廣泛深入研究。在長期的研究實踐中已逐步形成了量子化學、拓撲化學兩大理論方法以及分子力學和取代基效應等經(jīng)驗方法。量子化學建立在物理學的量子力學基礎上，通過求解分子波函數(shù)，獲得分子結(jié)構(gòu)特征的有關信息，所得參數(shù)有嚴格明確的物理意義。原則上量子化學方法可以精確地表達分子的全部電子、幾何信息和它們之間的相互作用，在處理分子立體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)上具有獨特的優(yōu)勢。拓撲化學建立在數(shù)學的圖論基礎上，而圖論的基礎和實質(zhì)是路徑與連接問題。將圖論引入化學，為建立分子結(jié)構(gòu)數(shù)學模型提供了理論工具?；瘜W體系的通常特點就是“場所”的存在以及這些“場所”之間的連接?！皥鏊笨梢允窃?、電子、分子、分子碎片、中間體等，而這些“場所”之間的連接可以代表化學鍵、反應步驟、范德華力等。為簡便起見，用頂點表示“場所”，用邊代表連接，這樣化學體系就可以轉(zhuǎn)換成化學圖的形式。利用分子圖就可以提取分子的拓撲指數(shù)。拓撲化學方法具有計算簡便、取值客觀等優(yōu)點，在化合物的定量結(jié)構(gòu)性能/活性相關研究中有其獨到的方便之處，因而越來越受到化學工作者的重視。應該注意到，由于數(shù)學理論的要求和計算技術方面的困難，量子化學參數(shù)的應用并不如傳統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)那樣應用廣泛。雖然量子化學參數(shù)沒有實驗測量性能參數(shù)存在的系統(tǒng)誤差，但是在計算過程中為了簡化計算采取了多步近似，從而導致固有誤差產(chǎn)生，并且還存在計算時間長、過分依賴基組等缺點。另外，量子化學參數(shù)不能解釋分子的形狀、大小、分支等體積效應，計算分子的局部信息也不方便，尤其在計算沸點、熱容、導熱率等宏觀性質(zhì)方面無能為力。另外，拓撲化學的拓撲指數(shù)方法雖然計算簡單快捷，但它難以表達分子的三維信息，對表達分子中的電子排布、軌道能級等內(nèi)部信息無能為力，而且所得的指數(shù)物理意義不清楚，模型方程難以解釋。鑒于上述兩種方法各自存在優(yōu)缺點，有研究者試圖將兩者結(jié)合起來，提出了量子拓撲化學方法。先對有機分子進行量子化學計算，得到分子中各原子的電子分布，然后將原子電荷代入分子圖的連接矩陣、距離矩陣或關聯(lián)矩陣等，進一步進行數(shù)學處理得出有機分子的量子拓撲指數(shù)，用于有機化合物的定量結(jié)構(gòu)性能/活性相關研究。該方法得到的量子拓撲指數(shù)確實比拓撲指數(shù)表達的分子結(jié)構(gòu)信息更加豐富，對分子圖頂點信息的區(qū)分也更有效，得到的定量結(jié)構(gòu)性能/活性相關結(jié)果更好。然而，量子拓撲化學方法的應用，必須具備比較深厚的數(shù)學物理基礎，同時會遇到同量子化學方法一樣的困難，給使用帶來不便而難以推廣應用。既發(fā)揮量子化學和拓撲化學兩者的優(yōu)點，又避免復雜的數(shù)學物理計算、提取更有效的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，這將是很有意義的工作。我們研究組在這方面進行了有益的探索，提出了拓撲量子化學方法。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)介紹了有機化學中的拓撲量子方法及其在有機化學定量結(jié)構(gòu)—性能／活性相關(QSPR／QSAR)中的應用。主要內(nèi)容包括基團極化效應參數(shù)和拓撲立體效應指數(shù)的計算：有機分子拓撲量子鍵連接矩陣的構(gòu)造以及分子結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的提取，矩陣特征根、拓撲量子軌道能級、原子電荷、化學鍵的鍵級等參數(shù)的計算；應用上述分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，對烷烴、單取代烷烴、鏈狀烯烴、含C=O鍵和N=O鍵有機化合物、芳香烴和極性芳香化合物等各類有機物的熱力學性能、化學反應性能、光學性能、色譜性能、價電子能量、酸性和生物活性進行定量相關研究。    本書可以作為化學專業(yè)、生物化學專業(yè)和物理化學專業(yè)的大學高年級學生、研究生、教師等的教學用書或參考書，也可供化學化工、生物化學、環(huán)境化學、醫(yī)藥、農(nóng)藥和材料分子設計等領域研究人員參考。

書籍目錄

前言第1章 緒論  1.1 有機分子結(jié)構(gòu)的表示  1.2 量子拓撲化學與拓撲量子化學  參考文獻第2章 拓撲量子方法的有關概念和參數(shù)  2.1 拓撲量子鍵連接矩陣  2.2 基團極化效應參數(shù)  2.3 拓撲立體效應指數(shù)  2.4 拓撲量子軌道能級與原子電荷  參考文獻第3章 烷烴的性能估算  3.1 鍵連接矩陣特征根與鍵離解能  3.2 烷烴的原子化熱與生成焓  3.3 烷烴的導熱率與電離能  3.4 碳的核磁共振化學位移  3.5 烷烴密度與折射率  本章小結(jié)  參考文獻第4章 取代烷烴的性能估算  4.1 RX的生成焓  4.2 RX的色譜保留值  4.3 RX的密度與折射率  4.4 RX的沸點  本章小結(jié)  參考文獻第5章 鏈狀烯烴性能估算  5.1 烯烴冗體系拓撲量子鍵連接矩陣  5.2 烯烴的冗電子電離能  5.3 烯烴紫外光譜吸收能量的估算  5.4 單烯烴C＝C鍵碳的冗電荷密度  5.5 單烯烴的生成焓  參考文獻第6章 含C＝O和N＝O化臺物有關性能的估算  6.1 脂肪醛酮紫外光譜吸收能量  6.2 RX＝O伸縮振動頻率  6.3 醛酮C＝O親核加成速率  本章小結(jié)  參考文獻第7章 芳香烴性能估算  7.1 烷基苯的冗分子軌道相對能量及冗電荷  7.2 烷基苯的生成焓等物理性質(zhì)的估算  7.3 烷基苯的氣相色譜保留值  7.4 烷基苯的生物活性  本章小結(jié)  參考文獻第8章 極性芳香化合物性能估算  8.1 鹵代苯酚pKa的估算  8.2 鹵代苯酚羥基O—H鍵能和毒性  8.3 烷基取代苯酚對環(huán)氧合酶COX抑制活性  8.4 極性基團取代苯物理化學性能的估算  8.5 硝基芳烴衍生物QSAR研究  8.6 吡啶及其衍生物QSPR／QSAR研究  本章小結(jié)  參考文獻

章節(jié)摘錄

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《有機化學中的拓撲量子方法》是由科學出版社出版的。

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