Quantum Chemical Studies on the Tautomerism of 2,4-dihydroxy-pyridine

Zou Jianwei, Zhu Longguan, Yu Qingsen, Lin Ruisen


Abstract Ab initio calculations have been performed for all isomers of 2,4-dihydroxy-pyridine in the gas phase and in aqueous solution. The results obtained indicate that 2,4-diol- form of the title compound is the most stable among all tautomers in the gas phase, however, due to polarization effects of solvents, 2-keto-4-ol form is the preferred tautomeric form in aqueous solution.
Key words 2,4-dihydroxy-pyridine， Tautomerism， Self-consistent-reaction field， Ab initio
摘要 对2,4-二羟基吡啶的各种异构体分别在气相和溶液中进行了理论计算，探讨了各异构体的相对稳定性以及溶剂对其互变异构性质的影响。结果显示，该化合物在气相时以2,4-二醇式为优势结构，然而由于溶剂的极化作用，导致其在溶液中表现出2-酮-4-醇式结构。
关键词 2,4-二羟基吡啶 互变异构 自洽反应场 从头算

2,4-二羟基吡啶互变异构性质的量化研究*

邹建卫 朱龙观 俞庆森 林瑞森
(浙江大学化学系 杭州 310027)

    互变异构是化学和生物化学中一个重要的研究课题。近年来，2-羟基和4-羟基吡啶的互变异构性质因其重要的生物学意义和强烈的溶剂依赖性而受到人们的广泛关注[1,2]。研究表明，气相时2-羟基吡啶和4-羟基吡啶均以醇式结构为优势结构，而在溶液中两者则都表现出酮式结构。当吡啶环的2-位和4-位同时存在羟基时，其互变异构性质又将是如何呢？基于这一考虑，本文对标题化合物的各种异构形式分别在气相和溶液中进行了量子化学计算，考察了各异构体的相对稳定性以及溶剂对其互变异构性质的影响。
1 计算方法

图1 2,4-二羟基吡啶的各种异构体

    2,4-二羟基吡啶存在三种互变异构形式，即2,4-二醇式、2-酮-4-醇式和2-醇-4-酮式。考虑到吡啶环外C-O单键的旋转，该化合物所有可能的异构体如图1所示。首先，在气相下对上述各异构体分别进行了AM1、HF/3-21G和HF/6-31G**水平上的全构型几何优化，并考虑电子相关效应(MP2/6-31G**)对体系的能量进行了校正。其后，采用Onsager自洽反应场(SCRF)模型[3]，在水溶液中进行了HF/6-31G**水平的优化计算。计算中，水的介电常数为78.4，溶质空穴选为球形，空穴半径(a0=0.39nm)通过计算分子的体积给出。所有的从头计算均采用Gaussian 92/DFT程序完成，AM1计算则采用Hyperchem 4.5软件包实现。
2 结果与讨论
    标题化合物的各种异构体在气相下采用不同方法和计算水平得到的总能量和相对能量(AM1和HF/3-21G上的计算结果仅给出相对能量)、HF/6-31G**水平上计算的溶液中的总能量和相对能量、溶剂化能以及分子的偶极矩均列于表1中。为便于比较，文献报道的AM1和HF/3-21G水平上计算的相对能量[4,5]也同时列于该表。

表1 各异构体在气相和水溶液中计算的总能量和相对能量a、溶剂化能和偶极矩(Debye)

气 相

 溶 液

HF/6-31G**

MP2/6-31G**

AM1

HF/3-21G

HF/6-31G**

ESb

μ

1A

-396.43583
(27.25) c

-397.59810
(26.86) c

20.04
(—)d

32.42
(—)d

-396.43972
(31.34)c

10.21

4.07

1B

-396.43658
(25.78)

-397.59886
(24.86)

19.25
(—)

30.17
(—)

-396.43967
(31.27)

8.11

3.58

1C

-396.44559
(2.13)

-397.60765
(1.79)

1.42
(1.67)

3.07
(2.93)

-396.44732
(11.18)

4.54

2.68

1D

-396.44640
(0.00)

-397.60833
(0.00)

0.00
(0.00)

0.00
(0.00)

-396.44671
(12.79)

0.81

1.14

2A

-396..44561
(2.07)

-397.60596
(6.22)

-1.80
(-1.67)

-1.60
(-7.95)

-396.44875
(7.43)

8.24

3.62

2B

-396.44167
(12.42)

-397.60263
(14.97)

2.93
(3.35)

-13.73
(4.18)

-396.45158
(0.00)

26.02

6.44

3A

-396.42003
(69.23)

-397.57946
(75.80)

52.38
(52.67)

54.98
(61.92)

-396.43768
(36.49)

46.34

8.42

3B

-396.43063
(41.40)

-397.58973
(48.83)

38.62
(38.87)

22.37
(29.29)

-396.43972
(31.14)

23.94

6.05
a 总能量单位为a.u.，相对能量的单位为kJ/mol   b 溶剂化能(单位：kJ/mol) c 括号中为相对能量 d 括号中为文献报道的结果

    由表1可见，本文及文献报道[4]的AM1半经验计算结果均显示，气相下标题化合物的各异构体中，2A能量最低，1D次之。用HF/3-21G基组进行从头算，尽管各异构体之间的相对能量与文献给出的结果[5]有一定的差别，但都表明2A为最稳定的异构体。然而，采用更大的基组(HF/6-31G**)进行计算，此时得到的结果显示1D能量最低，其HF能量比能量较低的2-酮-4-醇式互变异构体2A低2.07kJ/mol。两种2-醇-4-酮式异构体3A和3B则均具有较高的能量(各种水平的计算结果都是如此)，预示着该异构形式稳定性较差。进一步考虑电子相关效应后，1D仍最稳定，次稳定的异构体则由2A变成1C，其余各异构体的稳定性次序保持不变。因此可以认为，气态下，2,4-二醇式结构为标题化合物的优势结构，目前虽然尚无直接的气相实验可以佐证，但从2-羟基和4-羟基吡啶在气相下均表现出醇式结构来看，这一结果有一定的合理性。
    当体系从气相进入溶液中，所有异构体的能量均降低，但由于其分子极性上的差异(反映在分子的偶极矩上)，使得各异构体的溶剂化能有所差别，从而导致各异构体之间的相对稳定性次序发生了重大的变化。对比表1中气相和溶液中各异构体的相对能量(HF/6-31G**水平)可发现，1D在气相下最为稳定，然而进入溶液，其能量比两种2-酮-4-醇式异构体2A和2B分别高出12.79和5.36kJ.mol-1。同一互变异构形式的不同旋转异构体1C与1D、2A与2B之间的相对稳定性次序，在考虑溶剂因素后也发生了颠倒。所有异构体中，2B能量最低，表明该结构在溶液中最为稳定，与实验观察到该化合物在溶液中以2-酮-4-醇式结构存在是完全一致的[5]。
    必须说明的是，本文是在考虑溶剂因素进行计算(对该化合物而言属首次)后得到与实验相吻合的结果的，文献中给出的气相下的AM1和HF/3-21G计算结果虽然也能解释在溶液中观察到的实验现象，但这仅仅是巧合而已。从本文更为精确的计算结果来看，标题化合物在溶液中表现出2-酮-4-醇这一结构形式，在很大程度上是由于溶剂的极化效应造成的。用气相下的理论结果来解释溶液中的性质有其不合理性，如果用来预测一些溶剂较敏感体系的性质，则有可能会得出错误的结论。
3 参考文献
[1] Jiahu W, Russell J B. J. Phys. Chem., 1996,100:16141
[2] 邹建卫，俞庆森，朱龙观．物理化学学报，1998,14(11):1040
[3] 蒋华良，陈凯先，嵇汝运．化学通报，1995,4:1
[4] Fabian W M F. J. Comput. Chem., 1991,12(1):17
[5] Schlegel H B. Int. J. Quant. Chem., 1982,22:1041

国家自然科学基金资助项目(No.29633020)   1999-12-30收稿