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user: 4. 苯乙基哌啶酮与苯胺、2-氟苯胺反应生成席夫碱的量子化学计算 4.1. 苯乙基哌啶酮与苯胺、2-氟苯胺反应生成席夫碱 Hugo Schiff 在1864年首次描述通过两个等物质的量的醛和胺的缩合反应形成Schiff base (希夫碱)，距今已140年，其反应机理是：由含羰基的醛、酮类化合物与一级胺类化合物进行亲核加成反应，亲核试剂为胺类化合物，其化合物结构中带有孤电子对的氮原子进攻羰基基团上带有正电荷的碳原子，完成亲核加成反应，形成中间物α-羟基胺类化合物，然后进一步脱水形成席夫碱。 本文中席夫碱的形成过程，实际上是以芳香胺作为亲核试剂的亲核反应过程，见图5。 我们在实验中发现，2-氟苯胺和苯胺分别与苯乙基哌啶酮形成席夫碱的过程中，2-氟苯胺比苯胺反应慢、反应时间长、产率低。 理论上，胺类化合物由于胺基N原子上存在孤对电子，可以形成亲核试剂，进攻含羰基化合物的羰基上的C原子。对于1-苯乙基哌啶酮由于羰基的O原子强的电负性，导致电荷转移，从而C原子电子密度降低显正电性而被亲核试剂攻击。由于氟的吸电子性，导致2-氟苯胺N上电子密度下降，反应活性降低。下面通过理论计算结果也充分说明这一点。 图4. N，N-双(β-丙酸甲酯)苯乙胺的分子模型及其净亲电指数 Δ ω k ± 值 图5. 希夫碱形成反应机理 Table 2 N，N-double (β-methyl propionate) phenylethylamine molecule Wiberg key leve 化学键 Wiberg键级 化学键 Wiberg键级 化学键 Wiberg键级 1C-7H 0.926 22C-23H 0.9462 36C-38H 0.9261 2C-8H 0.9252 22C-24H 0.9434 39C-40H 0.9049 4C-9H 0.9252 22C-25H 0.9465 39C-41H 0.9194 5C-10H 0.9259 29C-30H 0.9491 33C-34H 0.9176 6C-11H 0.9255 29C-31H 0.9491 33C-35H 0.9252 12C-13H 0.9213 29C-32H 0.9491 42C-43H 0.9034 12C-14H 0.9222 33C-34H 0.9176 42C-44H 0.9062 15C-16H 0.928 33C-35H 0.9252 15C-17H 0.9266 36C-37H 0.9220 表2. N，N-双(β-丙酸甲酯)苯乙胺的分子Wiberg键级表 Table 3 The reactivity index results calculated by quantum chemistry for N，N-double(β-methyl propionate) phenylethylamin 原子序号 e k e k − 1 e k + 1 f k + f k − Δ ω k ± 1C −0.19674 −0.24419 −0.17894 0.04745 0.01780 0.00264 2C −0.20613 −0.23403 −0.17879 0.02790 0.02734 0.00005 3C −0.03065 −0.00503 −0.00392 −0.02562 0.02673 −0.00466 4C −0.20685 −0.25618 −0.17756 0.04933 0.02929 0.00178 5C −0.19696 −0.22330 −0.18178 0.02634 0.01518 0.00099 6C −0.21193 −0.22816 −0.12178 0.01623 0.09015 −0.00658 7H 0.20562 0.18917 0.22812 0.01645 0.02250 −0.00054 8H 0.20241 0.19637 0.21515 0.00604 0.01274 −0.00060 9H 0.20246 0.19614 0.21473 0.00632 0.01227 −0.00053 10H 0.20574 0.18889 0.22818 0.01685 0.02244 −0.00050 11H 0.20642 0.18824 0.22728 0.01818 0.02086 −0.00024 12C −0.42085 −0.42417 −0.40368 0.00332 0.01717 −0.00123 13H 0.20632 0.20435 0.22713 0.00197 0.02081 −0.00168 14H 0.20555 0.20180 0.22721 0.00375 0.02166 −0.00159 15C −0.15240 −0.14906 −0.18596 −0.00334 −0.03356 0.00269 16H 0.18893 0.18824 0.22065 0.00069 0.03172 −0.00276 17H 0.19494 0.18384 0.23009 0.01110 0.03515 −0.00214 18N −0.57440 −0.54290 −0.22189 −0.03153 0.35250 −0.03420 19C 0.81226 0.60038 0.80982 0.21188 −0.00244 0.01908 20O −0.57145 −0.6928 −0.54272 0.12135 0.02873 0.00825 21O −0.55180 −0.57134 −0.52827 0.01959 0.02348 −0.00035 22C −0.21364 −0.20901 −0.21947 −0.00463 −0.00583 0.00011 23H 0.17450 0.15765 0.17668 0.01685 0.00218 0.00131 24H 0.19870 0.16917 0.21698 0.02953 0.01828 0.00100 25H 0.17313 0.15308 0.17242 0.02005 −0.00071 0.00185 26C 0.81287 0.72585 0.80193 0.08702 −0.01094 0.00872 27O −0.59375 −0.65969 −0.54692 0.06594 0.04683 0.00170 28O −0.56436 −0.60526 −0.56112 0.04090 0.00324 0.00335 29C −0.21693 −0.21952 −0.21865 0.00259 −0.00172 0.00038 30H 0.18627 0.15706 0.19580 0.02921 0.00953 0.00175 31H 0.18693 0.16407 0.19312 0.02286 0.00619 0.00148 32H 0.18714 0.18218 0.19826 0.00496 0.01112 −0.00055 33C −0.17043 −0.34840 −0.20906 0.17797 −0.03863 0.01929 34H 0.18817 0.22453 0.24263 −0.03636 0.05446 −0.00809 35H 0.20835 0.30511 0.23548 −0.09676 0.02713 −0.01103 36C −0.16262 −0.19372 −0.19999 0.03110 −0.03737 0.00610 37H 0.17557 0.17195 0.23219 0.00362 0.05662 −0.00472 38H 0.20569 0.20152 0.22708 0.00417 0.02139 −0.00153 39C −0.47520 −0.48150 −0.47566 0.0063 −0.00046 0.00060 40H 0.22785 0.20680 0.23949 0.02105 0.01164 0.00084 41H 0.22010 0.23260 0.23350 −0.01249 0.01334 −0.00230 42C −0.50527 −0.50058 −0.50308 −0.00469 0.00219 −0.00061 43H 0.22712 0.20460 0.23871 0.02252 0.01159 0.00097 44H 0.21926 0.19522 0.22663 0.02404 0.00737 0.148 表3. N，N-双(β-丙酸甲酯)苯乙胺量子化学反应性指数计算结果 4.2. 通过量子化学计算来阐明其反应活性 从化学反应性角度解释，由量子化学计算所获得的净亲电反应性指数(见图6) Δ ω 26C ± = 0.11521 ，说明26C具有较强的亲电性能，易于被亲核试剂攻击； Δ ω 32O ± = − 0.11021 ，负值，说明32O具有较强的亲核性能，易于被亲电试剂攻击。详细数据见(表4)。为了比较苯胺和2-氟苯胺的亲核能力，以期获得这两个化合物与哌啶酮加成反应形成席夫碱的难易程度，因此分别对他们进行了量子化学反应性指数的计算(见图7)，详细数据见表5和表6。 Table 4 1-phenylpiperidone quantum chemistry reactivity inde 原子序号 e k e k − 1 e k + 1 f k + f k − Δ ω k ± 1C −0.22395 −0.24848 −0.2166 0.02453 0.00735 0.01708 2C −0.23696 −0.35346 −0.21373 0.1165 0.02323 0.09272 3C −0.03847 −0.04842 0.00395 0.00995 0.04242 −0.03228 4C −0.23696 −0.35346 −0.21373 0.1165 0.02323 0.09272 5C −0.22395 −0.24848 −0.2166 0.02453 0.00735 0.01708 6C −0.24806 −0.26025 −0.15101 0.01219 0.09705 −0.08436 7H 0.23703 0.22416 0.26831 0.01287 0.03128 −0.01830 8H 0.23151 0.22316 0.25308 0.00835 0.02157 −0.01314 9H 0.23151 0.22316 0.25308 0.00835 0.02157 −0.01314 10H 0.23703 0.22416 0.26831 0.01287 0.03128 −0.01830 11H 0.23757 0.22069 0.26766 0.01688 0.03009 −0.01313 12C −0.44737 −0.60866 −0.4896 0.16129 −0.04223 0.20233 13H 0.23230 0.22423 0.27429 0.00807 0.04199 −0.03372 14H 0.2323 0.22423 0.27429 0.00807 0.04199 −0.03372 15C −0.18877 −0.26613 −0.27704 0.07736 −0.08827 0.16466 16H 0.21254 0.20488 0.27122 0.00766 0.05868 −0.05072 17H 0.21254 0.20488 0.27122 0.00766 0.05868 −0.05072 18C −0.1998 −0.2952 −0.2975 0.09542 −0.09774 0.19203 19C −0.19979 −0.29521 −0.29753 0.09542 −0.09774 0.19203 20C −0.54059 −0.56467 −0.57534 0.02408 −0.03475 0.05849 21H 0.19488 0.18244 0.27889 0.01244 0.08401 −0.07115 22H 0.22962 0.22107 0.27396 0.00855 0.04434 −0.03558 23C −0.54059 −0.56467 −0.57534 0.02408 −0.03475 0.05849 24H 0.19488 0.18244 0.27889 0.01244 0.08401 −0.07115 25H 0.22962 0.22107 0.27396 0.00855 0.04434 −0.03558 26C 0.68611 0.68641 0.56992 −0.0003 −0.11619 0.11521 27H 0.25152 0.23853 0.29622 0.01299 0.0447 −0.03152 28H 0.24829 0.24318 0.27965 0.00511 0.03136 −0.02610 29H 0.25152 0.23853 0.29622 0.01299 0.0447 −0.03152 30H 0.24829 0.24318 0.27965 0.00511 0.03136 −0.02610 31N −0.63416 −0.65091 −0.21263 0.01675 0.42153 −0.40241 32O −0.63965 −0.67234 −0.4961 0.03269 0.14355 −0.11021 表4. 1-苯基哌啶酮量子化学反应性指数 Table 5 The aniline quantum chemistry reactivity inde 原子序号 e k e k − 1 e k + 1 f k + f k − Δ ω k ± 1C −0.22539 −0.25779 −0.21231 0.0324 0.01308 0.00089 2C −0.29085 −0.43214 −0.19596 0.14129 0.09489 0.00215 3C 0.15639 0.00562 0.21339 0.15077 0.057 0.00434 4C −0.29085 −0.43208 −0.19594 0.14123 0.09491 0.00214 5C −0.22539 −0.25779 −0.21232 0.0324 0.01307 0.00089 6C −0.28667 −0.31712 −0.08419 0.03045 0.20248 −0.00796 7H 0.24409 0.21654 0.28948 0.02755 0.04539 −0.00083 8H 0.23681 0.20578 0.27773 0.03103 0.04092 −0.00046 9H 0.23681 0.20579 0.27774 0.03102 0.04093 −0.00046 10H 0.24409 0.21654 0.28948 0.02755 0.04539 −0.00083 11H 0.24422 0.21004 0.285 0.03418 0.04078 −0.00031 12N −0.872 −1.0706 −0.64006 0.1986 0.23194 −0.00154 13H 0.41438 0.3536 0.45399 0.06078 0.03961 0.00098 14H 0.41437 0.35361 0.45398 0.06076 0.03961 0.00098 表5. 苯胺量子化学反应性指数 Table 6 The 2-fluaniline quantum chemical reactivity inde 原子序号 e k e k − 1 e k + 1 f k + f k − Δ ω k ± 1C −0.23927 −0.30085 −0.20371 0.06158 0.03556 0.00126 2C −0.27887 −0.47852 −0.20787 0.19965 0.071 0.00623 3C 0.10114 −0.04885 0.16103 0.14999 0.05989 0.00436 4C 0.36214 0.32272 0.45859 0.03942 0.09645 −0.00276 5C −0.2882 −0.37951 −0.28189 0.09131 0.00631 0.00412 6C −0.27082 −0.24774 −0.08335 −0.02308 0.18747 −0.01020 7H 0.24787 0.22018 0.2928 0.02769 0.04493 −0.00083 8H 0.24162 0.22043 0.28368 0.02119 0.04206 −0.00101 9H 0.25938 0.23513 0.30471 0.02425 0.04533 −0.00102 10H 0.24833 0.21187 0.28977 0.03646 0.04144 −0.00024 11N −0.86948 −1.08616 −0.63305 0.21668 0.23643 −0.00096 12H 0.43012 0.3781 0.46589 0.05202 0.03577 0.00079 13H 0.41787 0.33267 0.45835 0.0852 0.04048 0.00217 14F −0.36181 −0.37842 −0.30496 0.01661 0.05685 −0.00195 表6. 2-氟苯胺量子化学反应性指数 图6. 1-苯乙基哌啶酮分子模型及其净亲电指数 Δ ω k ± 图7. 苯胺和2-氟苯胺分子模型及其净亲电指数 Δ ω k ± 上述苯胺的12N原子的 Δ ω 12N ± = − 0.00154 ，而2-氟苯胺的11N原子的 Δ ω 11N ± = − 0.00096 ，均为负值，说明他们都具是亲核性能，但他们的亲核性都很小。实际实验中，由于苯胺或2-氟苯胺的亲核性很小，所以在1-苯乙基哌啶酮与苯胺或2-氟苯胺的反应中，需要加入酸性催化剂，如冰醋酸或对甲苯磺酸，以提供亲电性的质子。即1-苯乙基哌啶酮羰基首先接受一个质子，活化了羰基基团，使得羰基的C原子更易被亲核试剂攻击。但苯胺N原子 | Δ ω 12N ± | > 2-氟苯胺N原子 | Δ ω 11N ± | ，显然亲核性相对更强。即2-氟苯胺与1-苯乙基哌啶酮起反应比苯胺要困难的多。同时，实验结果表明，2-氟苯胺与1-苯乙基哌啶酮反应所需的时间要多8个小时，且反应产率较低。