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1、毕业论文（设计）题目：吡啶及其衍生物稳定性的计算研究姓 名： 王瑞苗 学 号： P122014410 学 院： 化工学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 12级化学工程与工艺1班 指导老师： 张斌 诚 信 声 明此毕业论文是本人在导师的认真指导下，对我这大学四年学习的总结和检阅，此篇论文是本人独立进行实验的研究结果。除文中已加标注引用的内容外，论文中不包括其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含其他人已经发表过或使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人及相关导师，均在文中明确标明。特此申明。声明人： 时间： 年 月 日35目录摘 要11.前言31.1 绪论31.1.1 吡啶及其
2、衍生物的研究意义31.1.2 吡啶及其衍生物的研究现状31.2 吡啶41.2.1 吡啶的物理性质41.2.2 吡啶的化学性质41.2.3 吡啶的存在与合成方法51.2.4 吡啶的用途51.3 2-氯吡啶51.3.1 2-氯吡啶的物理性质51.3.2 2-氯吡啶的制备方法61.3.3 2-氯吡啶的用途61.4 4-甲基吡啶71.4.1 4-甲基吡啶的物理性质71.4.2 4-甲基吡啶的化学性质71.4.3 4-甲基吡啶的制备方法及用途81.5 2-氨基吡啶81.5.1 2-氨基吡啶的物理性质81.5.2 2-氨基吡啶的制备方法及用途91.6 2-羟基吡啶91.6.1 2-羟基吡啶的物理性质91.
3、6.2 2-羟基吡啶的化学性质101.6.3 2-羟基吡啶的制备方法及用途101.7 2-乙烯基吡啶101.7.1 2-乙烯基吡啶的物理性质101.7.2 2-乙烯基吡啶的化学性质111.7.3 2-乙烯基吡啶的制备方法及用途112.实验方法与计算122.1 实验方法简介122.2 计算方法及概念简介123. 实验结果与讨论163.1 分子结构图163.2 电荷173.3 键长193.4 键角213.5 频率223.5.1 吡啶频率223.5.2 2-氯吡啶频率233.5.3 4-甲基吡啶频率243.5.4 2-氨基吡啶频率243.5.5 2-羟基吡啶频率253.5.6 2-乙烯基吡啶频率26
4、3.6 偶极距273.7 分子轨道273.8 静电势304. 结论334.1 实验结论33参考文献34答 谢35吡啶及其衍生物稳定性的计算研究专业：化学工程与工艺 姓名：王瑞苗 指导教授：张斌 摘 要 从头算计算法是一种基本的量子化学计算方法。本实验通过从头算的理论分析和计算，对吡啶、2-氯吡啶、4-甲基吡啶、2-氨基吡啶、2-羟基吡啶及2-乙烯基吡啶六种分子进行几何构型的全优化。对键长、键角、能量、电荷、偶极矩、分子轨道（FMO）、静电势、频率等参数的计算分析结果表明：取代基的种类和位置对键长、键角及电荷都有一定的影响；2-羟基吡啶、2-氨基吡啶、2-乙烯基吡啶、吡啶、4-甲基吡啶、2-氯吡
5、啶的偶极距依次增大，因此极性依次增强；2-乙烯基吡啶、2-氨基吡啶、2-羟基吡啶、2-氯吡啶、吡啶、4-甲基吡啶的能级差依次增大，因此稳定性依次增强。 关键词 吡啶及其衍生物，从头算法，几何构型ABSTRACTThe ab initio calculation method is a basic quantum chemistry calculation method.Through this experiment based on the theoretical analysis and calculation from the ab initio calculation, the geom
6、etries of the six molecules of pyridine, 2-chloro pyridine, 4-methyl pyridine, 2- amino pyridine, 2-hydroxy pyridine and 2-vinyl pyridine are optimized. The calculation results of bond length, bond angle, energy, charge, dipole moment, molecular orbital (FMO), electrostatic potential, frequency and
7、other parameters shows:the different kinds and position of substituent on the bond length, bond angle and charge have certain effect;the dipole moment of 2-hydroxy pyridine, 2-amino pyridine and 2-vinyl pyridine, pyridine, 4-methyl pyridine, 2-chloro pyridine increases in turn, so the polarity incre
8、ases in turn; the energy level difference of 2-vinyl pyridine, 2-amino pyridin, 2-hydroxy pyridine, 2-chloro pyridine,pyridine,4-methyl pyridine increases in turn, so the stability increases in turn.Key words:Pyridine and its derivatives,Ab initio calculation method, Geometric configuration1.前言1.1 绪
9、论1.1.1 吡啶及其衍生物的研究意义吡啶及其衍生物统称为吡啶碱，广泛应用于诸如医药、食品和合成材料等生产和生活的各个领域。吡啶及其衍生物在生活中随处可见。吡啶是无色液体，有特殊的气味，易燃、易爆、有毒是危险化学品。吡啶的水溶液呈碱性。本研究在全面了解吡啶及其衍生物的结构和性质的基础上，通过理论分析和计算，确定其几何及能量参数。随着国内市场对丁苯吡啶胶乳、饲料添加剂及农药等需求的增长，现有的吡啶及其衍生物成熟的工业化生产技术远远不能满足生产实际的需求，因此，系统研究吡啶的生产工艺十分重要。本实验计算研究可为吡啶及其衍生物的生产实际提供一些技术支持。1.1.2 吡啶及其衍生物的研究现状吡啶及其衍
10、生物是重要的化工产品，但在相关研究方面还是十分局限的。目前的研究主要是针对生产工艺的。通过对其合成工艺及设备的改进以及新催化材料的开发，来提高产值和经济效益，在理论分析和计算方面的研究并不多。吡啶及其衍生物有两种基本生产工艺，一是传统方法，从炼焦副产品中分离和回收，这种方法生产力不高且杂质较多；如今普遍采用的是化学合成的方法，醛、醇和酮均可与氨反应合成吡啶及其衍生物。魏优昌总结了合成工艺，并进行了前景分析。 1.2 吡啶1.2.1 吡啶的物理性质吡啶是无色且具有特殊气味的液体，密度小于水，可以多种有机和无机溶剂混溶。可以溶解大多数的有机和无机化合物，可作为溶剂。 吡啶刺激性很强，对皮肤有伤害作
11、用。吡啶可与无水氯化钙络合，因此干燥吡啶一般使用固体氢氧化钠或氢氧化钾。表1 吡啶的物理性质指标名称参数分子式C5H5N分子量79.10性状无色且具有特殊气味的液体熔点-41.6沸点115.2密度0.9819g/cm3酸性5.221.2.2 吡啶的化学性质1. 碱性：吡啶是杂环结构，环上的氮原子的电子对不参与环上的共轭，可以吸附氢离子，因此吡啶呈弱碱性。 2. 取代反应：吡啶较苯难于硝化、磺化和卤化。与硝基苯类似，其可与强的亲核试剂起亲核取代反应，主要产物为取代产物。3. 氯化与还原：吡啶的化学性质相对稳定，一般的氧化剂不能将其氧化。吡啶同系物侧链的稳定性最弱，在发生氧化时，侧链首先发生反应。
12、 1.2.3 吡啶的存在与合成方法吡啶大多存在于煤焦油以及页岩油中。甲基吡啶与它一起存在。吡啶的合成方法有两种，一是传统方法、二是现代方法。传统法主要是从煤焦油副产品和焦炉气中提取，现代法以醛-氨法最为成熟。传统法具体过程如下：用硫酸来处理煤焦油分馏出的轻油部分，此时吡啶生成硫酸盐溶解，再用碱中和，而后吡啶就会游离出来，最终再精制蒸馏。1.2.4 吡啶的用途吡啶可以和水以任何比例互溶，也可和许多有机溶剂混溶，本身可用作溶剂。此外还可作变性剂等。吡啶在乙醇溶液内可与多种酸生成不溶于水的盐。吡啶也可与许多无机化合物反应生成导电溶液。1.3 2-氯吡啶1.3.1 2-氯吡啶的物理性质2-氯吡啶不溶于
13、水，可溶于多数烃类，是许多化工产品的重要原料。 表2 2-氯吡啶的物理性质指标名称参数分子式C5H4NCl分子量113.55性状无色或淡黄色的液体熔点-46沸点168-170相对密度1.209g/ml饱和蒸汽压1.60kpa闪点681.3.2 2-氯吡啶的制备方法1. 路线1：用2-氨基吡啶为原料来制取。2. 路线2：用2-羟基吡啶为原料来制取。3. 路线3：以吡啶为原料经过直接氯化来制取。1.3.3 2-氯吡啶的用途2-氯吡啶主要是作为医药和日用化工产品的生产原料。在医药方面，2-氯吡啶非尼腊明和达叔平的重要合成原料之一。在日化方面，2-氯吡啶主要作为两类产品的原始材料，一是各种类型的洗发剂
14、，二是各类防腐剂。 1.4 4-甲基吡啶1.4.1 4-甲基吡啶的物理性质4-甲基吡啶的物理性质如下： 表3 4-甲基吡啶的物理性质指标名称参数分子式C6H7N分子量93.13性状无色或淡黄色透明液体熔点3.7沸点144.9相对密度（水=1）0.9558g/ml折射率1.5037闪点56.7气味吡啶碱味1.4.2 4-甲基吡啶的化学性质4-甲基吡啶的化学性质与吡啶相似，具有碱性，能与有机酸、无机酸等反应生成盐类，可用作溶剂，也可用于树脂合成、染料等的制造。1.4.3 4-甲基吡啶的制备方法及用途目前，4-甲基吡啶主要有两种合成途径。一种是在催化剂作用下，乙醇和氨发生化学反应，生成4-甲基吡啶。还有一种就是羰基化合物与氨反应，产生吡啶，而该反应的副产品就是4-甲基吡啶。4-甲基吡啶是各种杀虫剂、染料和合成树脂的合成原料。还可以用来生产解毒药物等。 1.5 2-氨基吡啶1.5.1 2-氨基吡啶的物理性质2-氨基吡啶是从石油英中提炼出来的，晶体状，味苦，具有氨气味，且有麻醉性，能升华，是抗组胺及合成2-吡啶酮的原料，用于染料中间体，化学试
