1,4-二氢吡嗪衍生物的光物理和光化学反应性：理论研究 采用密度泛函理论（DFT）和时间依赖密度泛函理论（TDDFT）

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Photophysical and Photochemical Reactivity of 1,4-Dihydropyrazine Derivatives: A Theoretical Investigation Using DFT and TDDFT

基于DFT和TDDFT方法，系统研究了11种1,4-二氢吡嗪衍生物的结构变化对其光物理性质及光化学反应性的影响。通过几何优化、光谱模拟和电子特性分析，揭示了取代基位置与电子跃迁、电荷转移及几何畸变间的关联，为实验研究提供理论支撑。

　　1,4-二氢吡嗪衍生物是一类具有重要应用价值的含氮杂环化合物，因其独特的结构特性而受到广泛关注。这类化合物通常表现出非共轭的烯胺（C=C–N）官能团，使得它们在光化学反应中展现出独特的行为。研究发现，1,4-二氢吡嗪衍生物在多种领域中具有广泛的应用，包括药物开发、材料科学以及生物化学等。它们可以作为中间体、催化剂或活性分子，在化学合成过程中发挥关键作用。特别是，某些三环结构的1,4-二氢吡嗪衍生物被用作钾通道开放剂，能够诱导平滑肌松弛，并用于治疗与钾通道相关的疾病，如高血压、糖尿病和肥胖。此外，1,4-二氢吡嗪-2,3-二酮已被广泛应用于制药中间体的定制合成以及化学库的构建。值得注意的是，它们还能够作为[2+2]光环加成反应的底物，用于合成对称二聚体和笼状二聚体（如3,6,9,12-四氮杂四杂烯烷），这些结构被认为是新型笼状骨架，具有广阔的前景。

在光化学反应中，1,4-二氢吡嗪衍生物表现出不同的反应活性，这与其光物理性质密切相关。例如，1-芳基-1,4-二氢吡嗪衍生物在光照下容易发生光环缩合反应，形成1-芳基-1H-咪唑，这一过程涉及6π电子环化和[1+2]环加成。另一方面，N,N’-二酰基-1,4-二氢吡嗪衍生物在与分子氧发生[2+2]光环加成反应时，能够生成甲基化二醇、二乙酸酯和甘醇型产物。此外，某些N,N’-二酰基-1,4-二氢吡嗪衍生物在紫外光或可见光照射下也能发生[2+2]光环加成反应，生成3,6,9,12-四氮杂四杂烯烷。然而，研究发现，只有N,N’-乙酰基和N,N’-丙酰基衍生物能够高效地转化为二聚体，而其他结构的衍生物则表现出较低的反应活性。这些结果表明，1,4-二氢吡嗪衍生物的光化学反应活性与其结构引起的光物理性质密切相关，特别是取代基的种类和位置对光物理性质的影响。

为了深入理解结构对光物理性质和光化学反应活性的影响，研究者选择了十一类具有代表性的1,4-二氢吡嗪衍生物进行理论研究。这些衍生物被分为三个不同的系列（系列1至系列3），每个系列具有独特的取代模式。系列1的特点是不同的酰基取代基连接在1,4-二氢吡嗪环的N,N’-位置上；系列2则包含不同的取代基直接连接在1,4-二氢吡嗪环上；系列3则结合了对氮原子和环本身的修饰。通过使用密度泛函理论（DFT）和时间依赖密度泛函理论（TDDFT）方法，研究者对这些衍生物的结构特性进行了系统分析。研究过程中，所有基态几何结构均在M06-2XD3/def2-TZVP水平上进行了优化，以确保结构的稳定性。同时，进行了振动频率分析，以确认没有虚频的存在，从而验证了所得到的几何结构是真实的稳定结构。

为了进一步揭示这些衍生物的电子激发行为，研究者计算了它们的紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱。吸收光谱的计算结果用于分析电子激发过程中的能量变化和波长特征。此外，研究者还分析了第一单重激发态（S?）对应的分子轨道图（包括HOMO–1、HOMO、LUMO和LUMO+1），以明确电子跃迁的性质。通过电子-空穴分析，研究者能够定性地评估在激发过程中电荷转移的方向。同时，计算了电子局域化函数（ELF），以分析取代基和共轭效应如何影响分子内部的电子分布。此外，研究者还计算了激发态与基态几何结构之间的均方根偏差（RMSD），以量化激发过程中结构的变化。这些计算结果共同揭示了结构修饰如何影响1,4-二氢吡嗪的光物理性质及其后续的光化学反应活性。

在理论计算过程中，研究者采用了多种方法和参数来确保结果的准确性。例如，所有基态和激发态几何结构的优化均在M06-2XD3/def2-TZVP计算水平上进行，以获得高精度的结构信息。振动频率的计算同样采用该水平，以确认计算得到的结构是真实的稳定结构。研究者还通过TDDFT方法计算了电子激发过程中的能量变化和波长特征，从而更全面地理解这些衍生物的光物理性质。此外，电子-空穴分析和ELF计算为研究者提供了关于分子内部电荷转移和电子分布的深入见解，这些信息对于理解光化学反应的机理具有重要意义。通过RMSD的计算，研究者能够量化结构在激发过程中的变化，从而评估结构修饰对光化学反应活性的影响。

为了进一步验证这些理论计算结果，研究者还对某些特定的1,4-二氢吡嗪衍生物（如化合物2和7）进行了实验与理论的对比分析。实验和理论的UV-Vis吸收光谱结果表明，理论计算能够较为准确地预测这些衍生物的吸收特性，从而为实验研究提供了理论依据。同时，这些计算结果也为后续的实验研究提供了指导，特别是在探索光化学反应的机理和优化反应条件方面。通过这些研究，研究者不仅能够深入了解1,4-二氢吡嗪的结构特性，还能够为相关领域的应用提供理论支持。

此外，研究者还探讨了不同取代基对1,4-二氢吡嗪光物理性质和光化学反应活性的影响。例如，系列1的衍生物由于不同的酰基取代基连接在N,N’-位置上，表现出不同的吸收波长和电子激发特性。系列2的衍生物由于不同的取代基直接连接在环上，其电子激发行为也有所差异。系列3的衍生物则在氮原子和环上都进行了修饰，使得其光物理性质和光化学反应活性更加复杂。这些结果表明，取代基的种类和位置对1,4-二氢吡嗪的光物理性质和光化学反应活性具有显著影响。因此，研究者认为，在设计和合成具有特定光化学反应活性的1,4-二氢吡嗪衍生物时，需要充分考虑取代基的种类和位置。

在实际应用中，1,4-二氢吡嗪衍生物的光化学反应活性对于开发新型材料和药物具有重要意义。例如，N,N’-双三甲基硅基-1,4-二氢吡嗪不仅可以用作吡嗪烷基化反应的关键中间体，而且在空气中氧化后，还可以作为合成多功能碳材料的可控小分子前体。同时，N,N’-双三甲基锗基-1,4-二氢吡嗪则被用作高效的还原剂，为低温金属原子层沉积（ALD）提供了新的策略。这些应用表明，1,4-二氢吡嗪衍生物在材料科学和药物开发中具有广泛的应用前景。

为了进一步拓展1,4-二氢吡嗪的应用范围，研究者还探索了其在不同反应条件下的光化学行为。例如，在紫外光或可见光照射下，某些1,4-二氢吡嗪衍生物能够发生[2+2]光环加成反应，生成具有特定结构的产物。这些产物不仅在结构上具有多样性，而且在功能上也表现出独特的性质。例如，生成的笼状二聚体（如3,6,9,12-四氮杂四杂烯烷）具有高度的稳定性和独特的化学性质，为新型材料的开发提供了新的思路。此外，这些产物在药物开发中也具有潜在的应用价值，因为它们可能具有特定的生物活性。

通过这些研究，研究者不仅能够深入理解1,4-二氢吡嗪的结构特性，还能够揭示其光物理性质和光化学反应活性之间的关系。这些关系对于优化光化学反应的条件和设计具有特定功能的衍生物具有重要意义。例如，在药物开发中，通过调控取代基的种类和位置，可以改变1,4-二氢吡嗪的光化学反应活性，从而影响其在体内的代谢和药效。在材料科学中，通过改变取代基的种类和位置，可以调控1,4-二氢吡嗪的光物理性质，从而影响其在光化学反应中的行为，进而影响最终产物的性能。

此外，研究者还发现，不同结构的1,4-二氢吡嗪衍生物在光化学反应中表现出不同的反应路径。例如，某些衍生物在紫外光照射下更容易发生光环缩合反应，而另一些则在可见光照射下更容易发生光环加成反应。这些不同的反应路径表明，1,4-二氢吡嗪的光化学反应活性不仅受到取代基的影响，还受到反应条件的调控。因此，在设计和合成具有特定光化学反应活性的1,4-二氢吡嗪衍生物时，需要综合考虑取代基的种类、位置以及反应条件的优化。

在理论研究的基础上，研究者还提出了未来研究的方向。例如，进一步探索不同取代基对1,4-二氢吡嗪光化学反应活性的影响，以及不同反应条件对反应路径的影响。此外，研究者还希望将这些理论研究结果应用于实际的实验研究中，以验证其在药物开发和材料科学中的应用价值。通过这些研究，研究者相信，1,4-二氢吡嗪的结构特性可以被更有效地利用，从而推动相关领域的进一步发展。

总之，1,4-二氢吡嗪衍生物的结构特性对光物理性质和光化学反应活性具有重要影响。通过理论计算和实验研究的结合，研究者能够更全面地理解这些衍生物的反应机理和应用前景。这些研究不仅为相关领域的应用提供了理论支持，还为未来的研究方向提供了新的思路。随着对1,4-二氢吡嗪结构特性的深入研究，其在药物开发、材料科学和其他领域的应用将变得更加广泛和深入。