嘧啶环偶极两端取代基交换对嘧啶类化合物物理化学性能的影响规律研究

Pyrimidine derivatives are an important class of compounds with various biological activities. Pyrimidine ring, as the common structural core of pyrimidine derivatives, makes significant contribute to their properties. Pyrimidine ring is a dipolar heteroaromatic ring, which is different from the traditional nonpolar parent -A=A-. Two isomer series 2-X-5-Y pyrimidines and 2-Y-5-X pyrimidines are produced by exchanging the substituents at two ends of pyrimidine ring dipole (i.e. C2 and C5 positions). The property change law of each series and the differences between them are unknown as yet, which is worthy of further exploration. This project plans to synthesize a series of 2-X-5-Y pyrimidines and 2-Y-5-X pyrimidines with substituents X and Y being NMe2, NH2, OMe, Ph, CH3, H, F, Cl, Br, I, CF3, CN, NO2. The spectral properties (such as electron transition spectra, nuclear magnetic resonance spectra, etc) and dissociation equilibrium constant pKb will then be determined. This project will explore the influence law of substituent electronic effect at two ends of pyrimidine ring dipole on the properties of each compounds series, together with the differences between them. Novel theoretic hypothesis is expected to be proposed to explain the differences of porperty change law between two compound series. This study will develop substituent electronic effect theory in organic chemistry and help to further understand the structure-property relationship of polar aromatic heterocycles. The results will provide theoretical guide for the design and exploitation of pyrimidines with specific function.

嘧啶类化合物是一类重要的生物活性物质，其共同结构基元嘧啶环对嘧啶类化合物的性质起着至关重要的作用。嘧啶环是一个偶极芳杂环，与传统的非极性母核-A=A-不同，交换偶极两端（即C2和C5位）取代基形成2-X-5-Y嘧啶和2-Y-5-X嘧啶两个同分异构体系列，其性能变化规律及其差异至今尚不清楚，值得深入探索。本项目拟合成2-X-5-Y嘧啶和2-Y-5-X嘧啶两系列化合物（X, Y = NMe2，NH2，OMe，Ph，CH3，H，F，Cl，Br，I，CF3，CN，NO2），获取其谱学性能（如电子跃迁光谱、核磁共振谱）和解离平衡常数pKb等，系统研究嘧啶环偶极两端取代基电子效应对两系列化合物上述性能的影响规律及其差异，并提出新的理论假设解释这种差异，丰富和发展有机化学中的取代基电子效应理论，加深理解极性芳香杂环衍生物的结构-性能关系，为具有特定功能的嘧啶类化合物的设计、开发提供理论指导。

嘧啶类化合物是一类重要的生物活性物质，在维护机体功能、抗癌、抗菌及杀虫等方面得到广泛应用。嘧啶环是一个偶极芳杂环，环的2-位和5-位分别处于偶极两端。偶极两端取代基X、Y对2, 5-二取代嘧啶类化合物的性能变化规律有何影响？两者之间又有何差异？围绕该问题，本项目合成了46个2-X-5-Y嘧啶和49个2-(4-X-苯基)-5-Y嘧啶(X, Y = NMe2，NH2，OMe，Ph，Me，H，F，Cl，Br，I，CF3，CN，NO2)两组模型化合物，分别对这些化合物的核磁共振化学位移(δ)、紫外最大吸收波数(νmax)及还原电位(ERed)等性质进行定量结构-性质相关分析，辅以量子化学计算，系统研究嘧啶环偶极两端取代基X、Y的电子效应对两组模型化合物上述性能的影响规律及其差异。研究发现，偶极两端取代基对嘧啶环上的电子云分布及2, 5-二取代嘧啶类化合物性质的影响确实不同，而且取代基电子效应的具体表现因母体分子结构及所研究的性质不同而异。模型化合物核磁共振化学位移主要受近端取代基的影响，离C2近的原子受取代基X的影响大，离C5近的原子受取代基Y的影响大；紫外最大吸收波数主要受取代基X的影响，受Y的影响较小；而还原电位受到C2-和C5-位取代基X、Y的共同作用，且俩取代基的影响基本相当。对于不同母体结构的化合物，即便研究相同的性质，其取代基效应也有区别。本项目所研究的两组模型化合物及含C=N键的取代芳基席夫碱系列化合物的取代基效应各有特点，不能简单地从吸电子基和供电子基来推测和解释取代基效应对化合物性能的影响。在研究过程中，还提出了表征卤素重原子效应的指示变量D，该参数不仅能较好地关联核磁共振化学位移，而且对紫外吸收波数和还原电位也有良好的相关性。这些成果丰富和发展了有机化学中的取代基电子效应理论，拓展和加深了对极性芳香杂环衍生物的结构-性能关系的理解，并为该领域的进一步深入研究提供了理论参考。