三嗪环是制备半合成头孢曲松的中间体,其市场需求大。而目前国内三嗪环的生产工艺有待改进,对三嗪环的实验及理论研究具有重要意义。本文运用量子化学的方法对三嗪环四种同分异构体(分别记为TTZ1、 TTZ2、 TTZ3和TTZ4)的分子结构、光谱性质,三嗪环的合成反应机理及其分子异构化机理进行了深入研究。首先在不同溶剂中培养三嗪环的单晶体,取三种可用的单晶样品用于X射线单晶衍射分析。三种样品检测结果一致。然后分别采用B3LYP和HF方法同时结合基组6-311++G(d,p),优化了三嗪环四种同分异构体的分子结构,并进行了频率分析。理论计算的TTZ1的分子结构参数非常接近单晶衍射的检测结果。分析单晶衍射检测的结果并比较计算所得分子的总能量可知,三嗪环最有可能以TTZ1的形式存在。然后对TTZ1的单晶样品和原料样品都进行了红外光谱和核磁共振光谱的检测,两种样品检测结果一致。由频率校正因子校正后的三嗪环的振动频率与红外光谱检测的数据一致。采用较高的基组6-311++G(2d,2p)计算的13C和1H核磁共振化学位移值也很接近实验检测值。基于B3LYP方法优化的结构分析了三嗪环的前线分子轨道和静电势能图。前线分子轨道的能隙给出了这四种结构的重要信息。静电势能分析表明负的势能位点位于电负性的氧原子附近,而正的势能位点基本上位于正的氢原子附近。接下来研究了三嗪环合成的反应机理,采用的计算方法为B3LYP,基组为6-311G(d,p)。合成方法包括分子内环合(反应物为1-草氨酰氨基硫脲)和分子间环合(反应物为2-甲基氨基硫脲、草酸二乙酯)。计算结果表明,对于分子内环合制三嗪环,先进行H的迁移,再进行脱醇环合的反应路径为主要反应路径。催化剂DBU使得H迁移过程的活化能明显降低。对于分子间环合制三嗪环,其主要反应路径可概括为缩合、脱醇、环合、脱醇、异构这几个步骤,其中第三步环合为控速步骤。最后对三嗪环四种异构体间相互异构转化的反应机理也进行了研究。结果表明,三嗪环的异构化是通过活泼氢原子H12和H15的迁移,并伴随甲基的旋转实现的。其中,TTZ2向TTZ1转化的反应能垒较高,该过程较难实现。TTZ4向TTZ2转化的反应能垒较低,该过程较易实现。