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1，4-二氢吡啶衍生物是一类广泛存在于天然产物、药物以及具有生物药理活性分子中的含氮杂环化合物，在生物医药、化学化工和食品工业等领域均发挥着重要作用。1，4-二氢吡啶衍生物由于结构的富电子性，表现出活泼的化学反应活性，易发生氧化反应、取代反应和环化反应等，所生成的产物也具有重要的抗病毒和抗肿瘤等生物药理活性。尽管关于1，4-二氢吡啶衍生物环化反应的研究已有文献报道，但未见系统性和全面性的关于环合反应中的缩环反应和光环合反应机理研究的报道。本文采用有机化学实验方法结合量子化学密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)计算，对1，4-二氢吡啶衍生物的缩环反应和光环合反应及其反应机制进行研究。本研究成果可为后续基于1，4-二氢吡啶骨架的化学合成研究和药物方向的应用奠定理论和实验基础。
(1)1，4.二氢吡啶衍生物的缩环反应及其反应机理研究。选取1，4-二芳基-1，4-二氢吡啶-3-甲酸乙酯(1)为研究对象，在2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)为自由基引发剂的诱导下，对化合物1的缩环反应生成吡咯甲酸酯衍生物的反应条件及反应机理进行系统的研究。通过探讨TEMPO用量、反应温度和化合物1的取代基电子效应对产物收率的影响，确定了合成吡咯甲酸酯衍生物的最佳反应条件，为毗咯衍生物的合成提供了一种经济、简便的方法。所得产物结构通过NMR、HRMS和X-ray单晶衍射等分析技术进行确认。为揭示化合物1的缩环反应机理，采用DFT方法，在B3LTP-D3/def2-TZVP∥B3LYP-D3/6-31G(d)计算水平下，对化合物1推测的反应路径的自由能垒进行计算。结果表明，化合物1的缩环反应机理是由TEMPO抽取1，4-二氢吡啶的C4位H而引发的自由基环化反应，TEMPO在反应中既是抽氢试剂也是自由基捕获剂:对化合物1a反应液组分的LC-MS分析和其反应的副产物py-4a形成机理的理论计算研究，结果验证了理论计算所得的1，4-二氢吡啶衍生物的缩环反应机理。
(2)1，4-二氢吡啶衍生物光物理性质的理论研究。选取1，4-二氢吡啶衍生物(1-8)为研究对象，首先以化合物1，4-二苯基-1，4-二氢吡啶-3，5-二甲酸乙酯(2)为例，建立光物理性质的理论研究方法。采用系统式构象搜索法对其构象进行搜索，以确定较稳定的构象:采用DFT/TDDFT方法，对所得较稳定构象的吸收波长(λabs)、发射波长(λems)、S1-T1的能量差(△Es1-T1)和Sm-Tn之间的旋轨耦合常数(＜ΨTn|(H)so|ΨSm＞)等光物理性质进行计算研究，讨论构象对上述性质的影响;采用四种具有不同HF交换成分的泛函，结合def-TZVP基组，计算化合物2单重激发态(S1和S2)的垂直激发能和荧光发射能，并与实验结果进行比较，以得到适于本研究的计算泛函。采用上述确定的计算泛函，对化合物(1-8)的光物理性质进行理论研究;结合所得实验光谱数据，以探讨取代基性质和位置对1，4-二氢吡啶衍生物的光物理性质的影响及其激发态可能的退激发路径，为研究1，4-二氢吡啶衍生物的光化学反应提供理论指导。研究结果表明，1，4-二氢吡啶衍生物的构象对λab、λems、△Es1-Tn以及＜ΨTn|(H)so|ΨSm＞等光物理性质的影响甚微;对泛函的测评表明，M06泛函的综合表现优于其他泛函，可用于1，4-二氢吡啶衍生物光物理性质的计算研究。对化合物1-8的△Es1-Tn、＜ΨTn|(H)so|ΨSm＞和kisc等光物理性质的计算结果表明，取代基对上述光物理性质有不同程度的影响，但对化合物1-8激发态退激发路径没有影响，其退激发路径为S1→T2→T1→S0。
(3)1，4-二氢吡啶衍生物的光环合反应及其反应机理研究。以不对称和对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物分子间的光环合反应为研究对象，系统地研究反应条件对反应产物的立体选择性的影响因素及反应机理。对于不对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物(1)的光环合反应，探讨了光敏剂和光照波长等因素对反应立体选择性的影响，结果表明化合物1的光环合产物主要是互为立体异构体的笼型二聚体(平行式和正交式)，光照波长对产物的立体构型有重要影响;采用DFT/TDDFT方法，在M062X/def-TZVP∥B3LYP/6-31G(d)计算水平下，对化合物1的光环合反应机理进行了理论计算研究。计算结果表明笼型二聚体的生成是由连续的两步分子间和分子内的光环合反应实现，区别在于形成平行式笼型二聚体的分子内[2+2]光环合反应为分步机理，而生成正交式笼型二聚体的[3+2]反应为协同机理，进而揭示了光照产物波长依赖性的本质;此外，分子间的[2+2]光环合反应所形成的反式双自由基中间体结构中的σ键旋转是导致产物立体构型差异的根本因素。对于对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物(3)的[2+2]光环合反应，探讨了溶剂和光照波长等影响因素对不同的1，4-二氢吡啶衍生物分子间交叉的[2+2]光环合反应的影响，结果表明该光环合反应的产物除了自身[2+2]光环合反应生成的具有C2对称性的头-尾相连的笼状二聚体(3-9-二氮杂四星烷)之外，还立体专一性地生成了非C2对称性的交叉头-尾相连的笼状二聚体，但并未生成理论上存在的头-头相连的笼型二聚体(3，6-二氮杂四星烷);采用DFT/TDDFT方法，并结合对1，4-二氢吡啶衍生物光物理性质的研究所得结论，对反应机理进行了系统的理论计算研究。计算结果表明对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物分子间交叉的[2+2]光环合反应为分步机理，类似于化合物1的[2+2]光环合反应机理，光环合产物的空间构型(头-头和头-尾相连)由反应路径的相对能垒决定，生成头-尾相连的笼状二聚体的反应能垒低于生成头-头相连的笼状二聚体的能垒。
(1)1，4.二氢吡啶衍生物的缩环反应及其反应机理研究。选取1，4-二芳基-1，4-二氢吡啶-3-甲酸乙酯(1)为研究对象，在2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)为自由基引发剂的诱导下，对化合物1的缩环反应生成吡咯甲酸酯衍生物的反应条件及反应机理进行系统的研究。通过探讨TEMPO用量、反应温度和化合物1的取代基电子效应对产物收率的影响，确定了合成吡咯甲酸酯衍生物的最佳反应条件，为毗咯衍生物的合成提供了一种经济、简便的方法。所得产物结构通过NMR、HRMS和X-ray单晶衍射等分析技术进行确认。为揭示化合物1的缩环反应机理，采用DFT方法，在B3LTP-D3/def2-TZVP∥B3LYP-D3/6-31G(d)计算水平下，对化合物1推测的反应路径的自由能垒进行计算。结果表明，化合物1的缩环反应机理是由TEMPO抽取1，4-二氢吡啶的C4位H而引发的自由基环化反应，TEMPO在反应中既是抽氢试剂也是自由基捕获剂:对化合物1a反应液组分的LC-MS分析和其反应的副产物py-4a形成机理的理论计算研究，结果验证了理论计算所得的1，4-二氢吡啶衍生物的缩环反应机理。
(2)1，4-二氢吡啶衍生物光物理性质的理论研究。选取1，4-二氢吡啶衍生物(1-8)为研究对象，首先以化合物1，4-二苯基-1，4-二氢吡啶-3，5-二甲酸乙酯(2)为例，建立光物理性质的理论研究方法。采用系统式构象搜索法对其构象进行搜索，以确定较稳定的构象:采用DFT/TDDFT方法，对所得较稳定构象的吸收波长(λabs)、发射波长(λems)、S1-T1的能量差(△Es1-T1)和Sm-Tn之间的旋轨耦合常数(＜ΨTn|(H)so|ΨSm＞)等光物理性质进行计算研究，讨论构象对上述性质的影响;采用四种具有不同HF交换成分的泛函，结合def-TZVP基组，计算化合物2单重激发态(S1和S2)的垂直激发能和荧光发射能，并与实验结果进行比较，以得到适于本研究的计算泛函。采用上述确定的计算泛函，对化合物(1-8)的光物理性质进行理论研究;结合所得实验光谱数据，以探讨取代基性质和位置对1，4-二氢吡啶衍生物的光物理性质的影响及其激发态可能的退激发路径，为研究1，4-二氢吡啶衍生物的光化学反应提供理论指导。研究结果表明，1，4-二氢吡啶衍生物的构象对λab、λems、△Es1-Tn以及＜ΨTn|(H)so|ΨSm＞等光物理性质的影响甚微;对泛函的测评表明，M06泛函的综合表现优于其他泛函，可用于1，4-二氢吡啶衍生物光物理性质的计算研究。对化合物1-8的△Es1-Tn、＜ΨTn|(H)so|ΨSm＞和kisc等光物理性质的计算结果表明，取代基对上述光物理性质有不同程度的影响，但对化合物1-8激发态退激发路径没有影响，其退激发路径为S1→T2→T1→S0。
(3)1，4-二氢吡啶衍生物的光环合反应及其反应机理研究。以不对称和对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物分子间的光环合反应为研究对象，系统地研究反应条件对反应产物的立体选择性的影响因素及反应机理。对于不对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物(1)的光环合反应，探讨了光敏剂和光照波长等因素对反应立体选择性的影响，结果表明化合物1的光环合产物主要是互为立体异构体的笼型二聚体(平行式和正交式)，光照波长对产物的立体构型有重要影响;采用DFT/TDDFT方法，在M062X/def-TZVP∥B3LYP/6-31G(d)计算水平下，对化合物1的光环合反应机理进行了理论计算研究。计算结果表明笼型二聚体的生成是由连续的两步分子间和分子内的光环合反应实现，区别在于形成平行式笼型二聚体的分子内[2+2]光环合反应为分步机理，而生成正交式笼型二聚体的[3+2]反应为协同机理，进而揭示了光照产物波长依赖性的本质;此外，分子间的[2+2]光环合反应所形成的反式双自由基中间体结构中的σ键旋转是导致产物立体构型差异的根本因素。对于对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物(3)的[2+2]光环合反应，探讨了溶剂和光照波长等影响因素对不同的1，4-二氢吡啶衍生物分子间交叉的[2+2]光环合反应的影响，结果表明该光环合反应的产物除了自身[2+2]光环合反应生成的具有C2对称性的头-尾相连的笼状二聚体(3-9-二氮杂四星烷)之外，还立体专一性地生成了非C2对称性的交叉头-尾相连的笼状二聚体，但并未生成理论上存在的头-头相连的笼型二聚体(3，6-二氮杂四星烷);采用DFT/TDDFT方法，并结合对1，4-二氢吡啶衍生物光物理性质的研究所得结论，对反应机理进行了系统的理论计算研究。计算结果表明对称取代的1，4-二氢吡啶衍生物分子间交叉的[2+2]光环合反应为分步机理，类似于化合物1的[2+2]光环合反应机理，光环合产物的空间构型(头-头和头-尾相连)由反应路径的相对能垒决定，生成头-尾相连的笼状二聚体的反应能垒低于生成头-头相连的笼状二聚体的能垒。