以理論計算研究胍類衍生物的超共軛效應

Abstract

以胍(guanidine)與雙胍(biguanide)作為母體，將其胺基上的氫原子置換成甲基(methyl group)與三氟甲基(trifluoromethyl group)，採用DFT B3LYP/6-31G(d)計算方法，分析胍類與雙胍類分子整體的能量，探討HOMO軌域以及氮原子的負超共軛。胍與雙胍HOMO軌域的主要成分皆含πC-N以及LP(N)，從取代基BO貢獻度的多寡，得知引入甲基會發生超共軛效應，三氟甲基的引入則產生負超共軛效應。除了取代基引起的負超共軛，母體主結構BO之間也有負超共軛效應，LP(N) donor至π*C-N，並藉由二級微擾理論的E(2)值去分析負超共軛穩定LP(N)的能力，發現甲基系列的衍生物其母體自身負超共軛得到的E(2)值高於甲基，因此母體的自身負超共軛具有較強的穩定能力；對於三氟甲基系列的衍生物，LP(N) donor到三氟甲基σ*C-F得到的E(2)值和donor到母體自身π*C-N的E(2)值都相當高，無論是三氟甲基引起的負超共軛或是母體自身的負超共軛，此二者對於LP(N)的穩定性都很重要。 以胍分子為母體：從甲基σC-H與σ*C-H的貢獻度可知，甲基胍衍生物因超共軛效應，其HOMO能量大致上成逐漸上升的趨勢，唯G-4CH3例外；三氟甲基胍衍生物則因負超共軛效應，使得HOMO的能量逐漸降低。 雙胍的部分，從分子結構圖與HOMO軌域電子雲分布圖可知雙胍分子有類似C2的對稱，且分子中心的氮原子銜接左右兩側πC-N的電子雲。陸續引入甲基後，分子中心的氮原子貢獻度逐漸降低甚至出現節面，原本因氮原子銜接一起的πC-N被分成兩個獨立的πC-N系統。能量方面，單一支甲基取代的衍生物，其HOMO能量上升，與胍的經驗相同；多甲基取代的雙胍衍生物其HOMO能量低於母體，此現象與分子中心的氮原子有關，母體中此支BO的能量(-6 62 eV)高於兩側胺基的氮原子能量(-8 24 eV)，隨著甲基的引入高能量的BO貢獻度降低，HOMO能量因此而下降。 此外，四種甲基雙胍衍生物，其中二甲基雙胍是第二型糖尿病患者最常使用的口服藥物，Metformin。我們將利用Weinhold’s NBO method從共軛的觀點解釋為何二甲基雙胍的HOMO能量低於雙胍分子。

Date of Award	2016 Jul 26
Original language	Chinese
Supervisor	Fu-Yung Huang (Supervisor)