量子化学视角下二氢唑并吡啶类化合物的氧化反应机制及氮杂环效应研究

研究人员针对1,4-二氢吡啶及系列二氢唑并吡啶的氧化反应机制展开量子化学研究，揭示单电子转移过程（涉及IHetH2 和IHetH• 电离势）的关键作用，阐明唑环对氢化环电子结构的影响，并发现吡啶型与吡咯型氮原子在氧化过程中的差异性调控，为设计高效氧化催化剂提供理论依据。

　　

在药物化学和材料科学领域，含氮杂环化合物的氧化反应是调控其生物活性与光电性能的核心步骤。然而，二氢唑并吡啶类化合物中多重氮原子的协同作用机制尚不明确，尤其吡啶型与吡咯型氮原子对氧化路径的差异化影响长期存在争议。针对这一科学问题，研究人员通过量子化学计算系统研究了1,4-二氢吡啶及系列二氢唑并吡啶的氧化反应动力学。

研究采用密度泛函理论（DFT）计算结合电离势分析，重点解析了单电子转移过程中I_HetH2
（二氢化合物电离势）和I_HetH•
（自由基中间体电离势）的变化规律。通过对比不同唑环修饰体系，发现唑环的π电子离域能力显著改变部分氢化环的电荷分布，其中吡啶型氮（sp²
杂化）通过吸电子效应稳定自由基中间体，而吡咯型氮（sp³
杂化）则通过给电子作用加速初始氧化步骤。

研究结果部分：

1. 电子结构特征：前线分子轨道分析显示，唑环的引入使最高占据分子轨道（HOMO）能级提升0.8-1.2 eV，显著降低I_HetH2
   值。
2. 电离势差异：吡咯型氮体系比吡啶型氮体系的I_HetH•
   低约15%，表明前者更易发生二次氧化。
3. 过渡态分析：吡啶型氮通过形成平面过渡态使能垒降低7.3 kcal/mol，而吡咯型氮则诱导扭曲构象导致立体位阻。

该研究首次从电子层面阐明氮原子杂化状态对氧化路径的调控规律，为定向设计抗氧化的药物分子骨架提供了量化指标。论文发表于《Journal of Physical Organic Chemistry》，其结论对理解维生素B₃
衍生物等含氮杂环的代谢过程具有重要启示。