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分子水化性质的量子化学研究 摘要 摘要 在极性溶剂( 如水) 中，分子的溶剂化现象主要来源于溶质与溶剂间的相互作用。 这些作用包括：色散作用、诱导作用、排斥作用及静电相互作用等。溶质分子的结 构对溶质溶剂间的作用影响很大，进而影响分子的溶剂化效果。在分子结构的 层次考察溶剂化效应，对于药物分子溶解度的预测具有重要的意义。本文主要研究 内容包括： ( 1 ) 运用s c r f 理论中的连续介质模型( i e f p c m ) 研究分子在水中的溶剂化效应。 首先考察链状有机分子烷烃、一元醇、二元醇、二元羧酸的水化效应。考察分 子碳链增长、端极基团极性的变化对分子水化性质的影响。如分子的偶极矩、总电 子能量、自由能。计算结果表明：依烷烃、一元醇、二元醇和二元羧酸的顺序，水 化作用使得分子的偶极矩增大，而其总电子能量、g i b b s 自由能则减小。对于同系物 分子，随着亚甲基数的增加，分子偶极矩表现出奇偶波动性。而奇偶波动的幅度则 随着烷烃、一元醇、二元醇和二元羧酸的顺序增大。对于1 7 ，一二元羧酸，溶剂化能 量和g i b b s 自由能的奇偶波动性表现尤其明显。 为考察芳香环取代基团对分子溶剂化效应的影响，本文进一步考察了若干芳香 烃分子的溶剂化性质。如：苯、苯酚、甲苯、1 ，3 一苯二醇、3 甲基一苯酚、1 ，3 一二甲 苯等。考察的性质包括分子的偶极矩、溶剂化电子能量、溶剂化g i b b s 自由能。计 算结果表明：随着苯、1 ，3 一二甲苯、甲苯、3 甲基苯酚、苯酚、1 ，3 苯二醇的顺序， 分子的偶极矩增大。分子的溶剂化电子能量、溶剂化g i b b s 自由能随酚羟基数增加 而降低，随甲基数增加而升高。酚羟基的键长和伸缩振动频率与分子的酸性相关。 分子水化作使得0 一h 键长和伸缩振动频率发生变化。对苯酚、1 ，3 一苯二酚、3 甲基一 苯酚的研究表明，羟基取代使分子酸性增强，甲基取代，使分子酸性减弱。分子水 化作用使得这一效应更加明显。 ( 2 ) 运用极化连续介质模型中的o n s a g e r 模型研究分子水化对水飞蓟素主要药 效成分的相对极性的影响。水飞蓟索主要有效成分结构相似，物化性质相近，导致 其分离困难，缺乏有效方法区分各组分对体系性质贡献的大小。量子化学方法所得 到的分子结构和溶剂化性质，可以显著区分各异构体的极性和溶剂化能量的相对大 小。它也反映出分子疏水性的相对大小。理论计算结果可以很好的解释水飞蓟素各 分子水化性质的量子化学研究 摘要 组分的h p l c 保留时间顺序。分子疏水性依s i l y d i a n i n s i l y b i na s i l y b i nb i s o s i l y b i n a i s o s i l y b i n b 顺序增强。 以s i l y b i n a 和b 为模型分子，考查温度变化对量子化学计算结果的影响。结果 表明，s i l y b i n 的二种异构体在气相和水溶液中的能量和g i b b s 自由能均随温度变化， 但其溶剂化能量和溶剂化自由能则不随温度变化。因而，可以将量子化学在2 9 8 k 得 到的溶剂化性质应用到3 7 。c 的状态。 ( 3 ) 采用分子簇的方法，考察含有酚羟基基团的若干天然化合物的酸性，以及 溶剂化作用对分子酸性的影响。 首先考察若干简单分子体系，如苯酚、1 ，3 一间- 苯二酚、3 甲氧基苯酚。运用分子 簇溶剂化模型，考察它们分别与水和o h 。作用形成络合物的稳定构型。分析0 h 键 的键长、伸缩振动频率与分子酸性的关系。结果表明：苯酚、1 ，3 间- 苯二酚、3 甲氧 基苯酚都具有一定的酸性；分子的p k a 值与羟基的键长和强度相关。利用苯酚和3 一 甲氧基苯酚的0 一h 键长与p k a 的关系，可以推测含有酚羟基的其它有机物分子的p k a 值。 分别考察色原酮类、黄酮类分子和水飞蓟宾与水形成络合分子的稳定结构，考 察水分子络合的部位对分子酸性的影响，进而预测其p k a 值。结果表明：这些分子 在5 位的羟基酸性比较大，较容易发生电离，7 位次之。对水飞蓟宾，理论预测的 p k a 值与实验结果很接近。 关键词：分子溶剂化，极化连续介质模型，p c m 模型，o n s a g e r 模型，水分子簇模 型，黄酮类分子，水飞蓟宾 作者：胡洁 指导老师：白同春 分子水化性质的量子化学研究 a b s t t a c t q u a n t u mc h e m i s t r yc a l c u l a t i o n so n t h em o l e c u l a rh y d r a t i o n a b s t r a c t s o l v a t i o ne f f e c ti sr e l a t e dw i t l ls o l u t e - s o l v e n ti n t e r a c t i o n s f o re x a m p l ed i s p e r s i o n 、 i n d u c t i o n 、r e p u l s i o na n de l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n s i np o l a rs o l v e n t , t h ee n e r g yo f m o l e c u l e s a l v a t i o ni sm a i n l yc a u s e db ys o l u t e - s o l v e n te l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n s s o l u t e sg e o m e t r y i m p a c tt h e s o l u t e - s o l v e n ti n t e r a c t i o n ，a n dc a u s e st h e i rs o l v a t i o ne f f e c ta p p e a r i n gi n d i f f e r e n ts t y l e m o l e c u l a rs o l v e n ti sr e l a t e dt ot h ep r e d i c t i o no fd r u g ss o l u b i l i t y ，t h e r e f o r e ， i ti si m p o r t a n tt os t u d yt h es o l v a t i o ne f f e c to nt h em o l e c u l eg e o m e t r yl e v e l ： 1 t h ei n t e g r a le q u a t i o nf o r m a l i s mv e r s i o no f p o l a r i z a b l ec o n t i n u u mm o d e l ( i e f p c m ) w a se m p l o y e dt oc o m p u t et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fo r g a n i cc o m p o u n d si nt h e a q u e o u ss o l u t i o n t h r e ec l a s s e so fh o m o l o g o u sc o m p o u n d sa r ec h o s e n ：c l - - d c 8a l k a n e s ， c 2 c sd i h y d r i ca l c o h o l s ，a n da ，o o - a l k a n e d i o i ca c i d s ，h o o c - ( c h 2 h - c o o h = 0 - - 6 ) t h e m o l e c u l a rg e o m e t r i e s ，b o t hi nt h eg a sp h a s ea n di nt h ea q u e o u ss o l u t i o n ，w e r eo p t i m i z e d u s i n gt h eb 3 l y p 6 31 + g + m e t h o d t h es t u d yf o c u s e so nt h ee f f e c t so fi n c r e a s i n ga l k a n e c h a i n sa sw e l la st h ee f f e c to f p o l a rt e r m i n a lg r o u p so nm o l e c u l eh y d r a t i o n t h ee f f e c t so f s o l v a t i o no n ar a n g eo f m o l e c u l a rp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gt h em o l e c u l a rd i p o l em o m e n t ，t o t a l e l e c t r o n i ce n e r g y ，a n dg i b b sf r e ee n e r g y ，i n c r e a s ei nt h es e q u e n c eo fa l k a n e s ，d i h y d r i c a l c o h o l s ，a n d0 【，心a l k a n e d i o i ca c i d s w i t ht h ei n c r e a s ei nm e t h y l e n eg r o u p s ，t h ed i p o l e m o m e n ts h o w so d d - - e v e na l t e r n a t i o n t h ea l t e r n a t i o na m p l i t u d ei n c r e a s e si nt h es e q u e n c e o fa l k a n e s ，d i h y d r i ca l c o h o l s ，a n dqr o - a l k a n e d i o i ca c i d s t h ed o u b l ep o l a rt e r m i n a l g r o u p sa p p e a rt ob er e s p o n s i b l ef o rt h eo d d - e v e na l t e r n a t i o n t h eg i b b sf r e ee n e r g i e so f s o l v a t i o nf o r 喁o y a l k a n e d i o i ca c i d sa r ec o n s i s t e n t l yn e g a t i v e ，a g s o l 0a n di ti n c r e a s e s m o n o t o n i c a l l yw i t ht h en u m b e ro fm e t h y l e n eg r o u p s ( n oo d r - e v e na l t e r n a t i o n ) t h ea g , o t 0f o rd i h y d r i ca l c o h o l sb u tn oo d d - e v e na l t e r n a t i o ni so b s e r v e d 2 i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to fs o l u t e - s o l v e n te l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o no nt h e m o l e c u l a rh y d r a t i o n ，a n dt h et e m p e r a t u r ee f f e c to nt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s ，t h ed e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) o nt h eb 3 l y p 6 31gl e v e la n dt h eo n s a g e rm o d e lw e r eu s e dt o “f 分子水化性质的量子化学研究 a b s t r a c t c o m p u t et h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so f t h em a i nc o m p o n e n t so f s i l y r n a r i ni nw a t e r t h e m o l e c u l a rg e o m e t r i e s ，d i p o l em o m e n t s ，t o t a le n e r g i e sa n dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s ，b o t h i nt h eg a sp h a s ea n di nt h ea q u e o u ss o l u t i o n ，w e r eo b t a i n e d t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h e m o l e c u l a rh y d r a t i o ne n e r g i e sf r o me l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o na r en e g a t i v e ；t h e mi sa r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e i rm a g n i t u d eo r d e r w i t ht h eh p l cr e t e n t i o nt i m e ；a n dt h e m o l e c u l a rt o t a le n e r g yc h a n g e sw i t ht e m p e r a t u r e ，b u tt h et e m p e r a t u r ee f f e c to nt h e s o l v a t i o ne n e r g yc a nb en e g l e c t e d 3 m o l e c u l a rs o l v a t i o no fs o m en a t u r a lm o l e c u l e si ss t u d i e db yu s et h em o l e c u l a r d u s t e r sm e t h o d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np k aa n dt h eg e o m e t r yo fm o l e c u l a rc o m p l e x w i t hw a t e ri sc o n s i d e r e d f i r s t l y ，s o m es i m p l em o d e lm o l e c u l e sw i t he x a c te x p e r i m e n t a ld a t ao fp k aa r e c o n s i d e r e d i ti n c l u d e s p h e n o l ，1 3 - d i h y d r o x y - p h e n o l a n d 3 - m e t h o x y - p h e n 0 1 a r e l a t i o n s h i pb e t w e e np k aa n dt h eo - hb o n dl e n g t ho fm o l e c u l ec o m p l e x 丽t hw a t e ri s o b s e r v e d f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eh y d r a t i o ng e o m e t r i e s o fs o m e n a t u r a lc o m p o u n d sc o m p l e xw i t hw a t e ra n dt h ev a l u e so f t h e kp k aa r ec o n s i d e r e d t h e s e m o l e c u l e si n c l u d e3 , 5 ，7 - t r i b y d r o x y - 2 m e t h y l - c h r o m a n - 4 - o n e s ，f l a v o n o i d s ，a n ds i l y b i n t h ea c i d i t yi sd i f f e r e n tf o rt h e s em o l e c u l e sa c c o r d i n gt ot h e i rc o m p l e x 、析mw a t e ra t d i f f e r e n tg e o m e t r ys i t e o u rr e s u l ts h o w st h a t , t h ea c i d i t yf o rm o l e c u l a rc o m p l e xw i 血 w a t e ra t5 - s i t eo hg r o u pi sl a r g e rt h a nt h ea c i d i t yt h a ti ti n t e r a c t sw i t hw a t e ra t7 - s i t e0 - h g r o u p t h e o r e t i c a lp r e d i c t e dv a l u eo f p k a o fs i l y b i ni sc l o s et ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：m o l e c u l a rs o l v a t i o n ，p o l a r i z a b l ec o n t i n u u mm o d e l ，p c mm o d e l ，o n s a g e r m o d e l ，m o l e c u l a rc l u s t e rm o d e l ，f l a v o n o i d s ，s i ：i y b i n w f i a e n b yj i e h u s u p e r v i s e db yt o n g c h u nb a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：盈盗日期：q ：l ) c 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：堡：兰芏 期： 丝6 ：生：! 妒 分子水化性质的量子化学研究第一章文献综述 第一章文献综述 量子化学，尤其是分予的电子结构理论及其基于现代量子力学的计算方法，已 经成为研究许多科学问题的强有力的工具。今天，它已经被应用到化学、生物化学、 生物医药、制药学、大气科学、环境科学、材料科学和军事科学等诸多学科领域的 科学研究中。分子的电子结构理论和计算方法的重要性现在已经得到了广泛的认同。 例如，1 9 9 8 年瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予w n t e rk o h n 和j o h np o p l e ，以表 彰他们在电子结构理论计算方法方面所作的杰出贡献。 1 化学是研究分子性质和反应的科学，有许多化学过程是在溶液中进行的。溶剂 对分子的构象、电子结构和化学反应有着重要的影响 2 】，因此对溶剂效应进行理论 研究有着重要的意义，这更能反映出溶液中分子的真实行为。例如，气相环境中氨 基酸的中性分子结构比两性离子构型更稳定，但在溶液中则是两性离子的构型来得 更稳定 2 】。化学，物理学以及生物化学现象的实验反馈在很大程度上依赖于所考虑 分子四周的溶剂环境。因此，人们迫切需要找到一种能计算溶液中分子的电子结构 以及性质的方法，并要求这种方法的精度与计算气相分子所能达到的精度相似。 从上世纪七十年代开始，已经出现了许多对分子在溶液中性质的理论方法。主 要是基于两种思想：种是把注意力集中在有限数目的溶剂分子和溶剂分子的微观 相互作用上。对超分子体系模拟成单个分子来进行计算推断整个体系的性质，即明 显处理溶剂溶质相互作用；第二种基本思想是对溶剂效应引进平均信息，即用具有 某种性质，如介电常数、热膨胀系数等的宏观连续介质取代溶剂的微观描述。 1 1 溶剂化计算的一般方法 计算量子化学中描述溶剂对溶质极化作用的方法有：超分子方法 3 】，量子力学一 分子力学联合方法( q m m m ) 4 ，5 ，自洽反应场方法( s c r f ) 6 ，7 1 。其它的溶剂化方 法还有：基于统计力学的参考反应区模型( r i s m ) 1 4 】，有效碎片势( e f p ) 和o n i o m x s 方法 1 5 】。 分子水化性质的量子化学研究 第一章文献综述 1 2 分子簇模型 直接溶剂化模型把注意力集中在有限数目的溶剂分子和溶剂分予的微观相互作 用上。用分子簇模型这种方法来研究在分子水平上的溶质分子间的相互作用、溶质 和溶剂分子间的相互作用。 利用这种方法d o n g m e ih u a n g 和y i b ow a n g 1 0 研究了呋喃和卤化氢的相互作 用；陶福明等研究了分子在水中的离解反应，通过逐个加水分子的方法研究水对分 子电离的溶剂化效应。如：溴化氢【1 l 】、氟化氢【1 2 】、等都可以用此方法来研究水对 分子电离的溶剂化效应，并被证实此方法是可靠的。应用表明，此方法除了可以用 于无机分子的研究，还可以用于有机分子的研究，如考察2 - 氯苯酚分别与水分子和氨 分子作用的酸度电离平衡常数p k a 1 3 。但由于计算量耗费的限制，体系中只能简单 的包含少数溶剂分子，因此不适用于考虑大量溶剂分子的影响。 1 3 自洽反应场方法( s c r f ) 自洽反应场方法( s c r f ) 就是对溶剂效应引进平均信息，考虑大量溶剂分子的影 响。为了研究溶剂效应，o n s a g e r 提出了反应场理论( r e a c t i o nf i e l dt h e r o y ) 。在这个 模型中，溶质被放在一个沉浸在介电常数为的连续介质的空穴中，这个空穴可以 是球形、椭圆形或者其它形状，为计算方便起见，通常选用球形。( 见图1 ) 图1o n s a g e r 反应模型示意图：溶质分子被放置于一个半径为a 0 的球形空穴中 此空穴被具有相对介电常数为8 的连续介质所包围。 t a p i a 和g o s c i n s k i 将o n s a g e r 反应场模型加入量子化学分子轨道理论中，发展成 为自洽反应场( s c r f ) 理论。此后，这一模型被广泛地应用于溶剂效应的研究中。 1 4 s c r f 方法将溶剂分子看作连续介质，溶质分子使介质发生极化并产生个反应 场，后者又反过来使溶质分子本身发生极化。采用s c r f 方法，只需适当选取介电 分子水化性质的量子化学研究 第一章文献综述 常数就可以描述分子在不同溶剂中的行为，从而研究分子在溶剂中的水化性质。 1 l 与直接溶剂模型相比，连续介质模型至少有两个优势。首先，它能够显著地减 少所研究的体系的自由度。第二个优势是其能够方便准确地处理最重要的长程静电 作用的体系，这种作用是许多溶剂化现象的主要促成因素。因此，基于连续介质模 型的s c r f 理论现在已经被广泛地用于研究溶剂对溶质分子结构和性质的影响以及 溶液中的化学反应。 目前，连续介质模型己经成为研究电子结构理论中描述溶剂的最常用方法。尽 管连续介质模型有着诸多优点，但以前许多基于此模型的s c r f 方法由于在确定代 表溶剂反应场的有效极化电荷分布时不够精确，因此使用上带来了局限性。实际应 用中，许多s c r f 程序在涉及到一般形状的分子孔穴时，都直接或者间接地用溶质 孔穴边晁面上的表观极化电荷分布来描述溶剂的极化。现存的大多数s c r f 程序的 一个主要不足之处是忽略体极化作用或对之处理不够精确。如果忽略体极化作用并 保持原有的简单连续介质模型不变，求解p o i s s o 方程时将不能达到自洽。有些研究 小组试图用几种形式不的电荷归一化方案来修正这个问题。例如，在g a u s s i a n 0 3 中实现程序化的等密度面极化介质模型( i p c m ) 1 3 】，极化导体模型( c o s m o ，亦称为 c p c m ) 1 4 ，和积分连续介质模型( i e f p c m ) 1 5 ，都使用了电荷重归一化方案。 自洽反应场模型( s e l f - c o n s i s t e n tr e a c t i o nf i e l d ，s c r f ) 被广泛的用于研究溶剂对 化学和生物体系的影响。这个方法将溶剂描述为连续的，均一的，介电常数为的反 应场，溶质处于溶剂内的空穴中。按照对空穴和反应场的定义有了不同的理论模型。 1 3 1o n s a g e r 反应场 最简单的模型是o n s a g e r 反应场 1 6 ，1 7 ，这一模型假设溶质分子被放置于一个半 径为a 0 的球形空穴中，此空穴被具有相对介电常数为的连续介质所包围。越大，表 明溶剂的极化作用越大。介质因溶质分子偶极矩的诱导也产生一偶极矩，此偶极矩 反过来与溶质分子的偶极矩相互作用，增加体系稳定性。 由于o n s a g e r 模型只对极性分子体系有用，因此对于偶极矩为零的分子体系不能 采用o n s a g e r 模型来计算溶剂化效应。如：烷烃体系、苯分子等不能应用o n s a g e r 模型 进行研究。 分子水化性质的量子化学研究第一章文献综述 1 3 2p c m 模型 t o m a s i 的极化统一模型( p o l a r i z e dc o n t i n u u mm o d e l ，p c m ) 定义的空穴，由一系 列互相连接的原子球组成，溶液的极化作用采用数字积分，而不是o n s a g e r 方法中的 解析积分。 p c m 模型包括几种算法：等密度面极化介质模型( i s o d e n s i t yp c m ，i p c m ) ，自 洽等密度极化统一场模型( s e l f - c o n s i s t e n ti s o d e n s i t yp o l a r i z e dc o n t i n u u mm o d e l ， s c i p c m ) ，极化导体模型( c o s m o ，亦称为c p c m ) 1 6 ，1 7 】，和积分连续介质模型 ( i e f p c m ) 1 8 ，1 9 。 等密度p c m 方法( i p c m ) 将空穴定义为分子的等密度面，这个等密度面通过迭代 产生，直到其形状不再发生变化。等密度面是由分子的形状产生的，是空穴的自然 的、直接的表述。但是，等密度面与电子密度也有必要进行耦合，自洽等密度极化 统一场模型f s c i p c m ) 考虑了这一点，它在等密度面的迭代过程中考虑了溶剂的影 响，包含了溶剂能，而溶剂能本身又与等密度面相关。 极化导体模型( c o s m o ) ，首先被k l a m t 和s c h n t i r m a n n 提出，用于经典计算，然 后才扩展到量子力学体系。c o s m o 方法是描述溶剂反应场是通过，表观极化电荷分 布在空穴表面，这可以影响总的静电势能在表面的抵偿。边界条件是适合空穴放置 在导体介质中，能够描述分子和金属的交互作用和在极性介质中的溶剂化效应。【2 0 】 积分连续介质模型( i e f p c m ) ，采用统一的分析溶液来研究溶质分子的静电作用 问题f 即将一种或多种溶质分子放入一个共同的等方性的溶剂中，拥有各向异性的电 介质，如结晶状的液体、固体物质或是一种离子溶液) 。这个方法对于不同的物理情 况采用相同的理论方法来处理，即采用完整的积分形式的方程。 s c r f 理论在研究溶剂化效应中的应用： 可以用于计算互变异构平衡中的溶剂化效应，女l l k a r e l s o n 等【2 1 ，2 2 】，研究tn t l 啶 取代物和含有两个杂原子的五元杂环化合物的互变异构现象；w i b e r g 等 2 3 1 研究了2 - 毗啶酮的互变异构现象，均取得了与实验一致的结果；两性离子的研究，如w i b e r g 等【2 4 】用研究了胺基磺酸两性离子+ h 3 n s 0 3 + 在溶液中的性质，r z e p a 2 5 i t s j 甘氨酸、丙 氨酸和脯氨酸二性离子的溶剂化效应进行研究，结果发现s c r f 模型计算结果与氨基 酸分子与1 5 个水分子形成的超分子模型计算结果一致；旋转异构体的溶剂效应的研 分子水化性质的量子化学研究 第一章文献综述 究，女i w i b e r g 等运用高水平的a bi n i t os c r f 方法计算研究了糠酸、硝基乙胺、1 ，2 一 二氯乙烷和甲酸甲酯、乙酸甲酯旋转异构体的溶剂效应。 1 4 本文主要工作 1 4 1 研究的意义 溶剂效应涉及到溶质与溶剂间的色散作用、诱导作用、排斥作用及静电相互作 用等。在极性溶剂中，溶剂化能主要由静电作用引起。由于溶剂化效应与分子的结 构有复杂的关系，只有实验的宏观数据还不够，还需要运用量子化学的方法来获得 溶剂化状态分子结构的信息。 对于链状分子，端极基团的极性大小、分子碳链的长短都将影响分子的溶剂化； 对于芳香烃分子，取代基的极性和位置，也将影响分子的溶剂化状态。研究溶剂化 效应与分子结构的关系，对于预测天然化合物分子的溶剂化性质有着重要的意义。 对于一些天然化合物，特别是一些药物分子( 如水飞蓟素) ，其有效成分结构相似， 物化性质相近，导致其分离困难，缺乏有效方法区分各组分对体系性质贡献的相对 大小。而量子化学方法则弥补了其它方法的不足。 含有酚羟基的物质具有一定的酸性。其酸性和分子与水的氢键作用相关。通过 分子簇的研究方法来考察不同位置o h 基与水的作用，有可能关联分子结构参数与 分子酸性的关系。利用这种关联关系，可以预测天然化合物的性质。 因此，从分子水平研究水化分子的结构和物性的关系不仅具有理论意义，而且 具有应用背景。 1 4 1 研究的内容 研究模型分子结构变化对分子溶剂化性质的影响。 ( 1 ) 运用连续介质模型( s c r f 理论) 中的i e f p c m 模型来研究分子在水溶液中的 溶剂化效应。 研究对象：链状有机物分子体系，如烷烃、一元醇、二元醇、二元羧酸。首先 考察随着碳链的增长、链端基团极性的增大，溶剂化效应对分子水化性质的影响。 如对分子偶极矩、总电子能量、g i b b s 自由能等的影响。随着烷烃、一元醇、二元醇 e 分子水化性质的量予化学研究 第一章文献综述 和二元羧酸的顺序，分子的偶极矩是增大的，而总的电子能量、自由能是减小的。 利用p c m 模型，可以获得溶剂化作用对它们这些性质的影响。 然后研究含有芳香环的有机物分子体系：如苯、苯酚、甲苯、1 ，3 - 苯二醇、3 一 甲基苯酚、1 ，3 - 二甲苯等。利用p c m 模型研究分子水化对它们的热力学性质的影 响。如溶剂化电子能量a e r t 、溶剂化g i b b s 自由能。研究分子结构取代基的位 置和极性对分子溶剂化性质的影响。考察对苯酚、1 ，3 一苯二酚、3 一甲基一苯酚的酚羟 基的键长和频率的差异以及溶剂化对它们的影响。酚羟基的键长和频率将影响分子 的酸性。 ( 2 ) 运用连续介质模型中的o n s a g e r 模型来研究水飞蓟素主要药效成分在水溶液 中的溶剂化效应。由于水飞蓟素各有效成分结构相似，物化性质相近，导致其分离 困难。还缺乏有效方法以区分各组分对体系性质贡献的大小。量子化学方法所得到 的分子结构和溶剂化性质，可以显著区分各异构体的极性和溶剂化能量的相对大小。 弥补其它方法的不足。利用o n s a g e r 模型计算各组分的溶剂化性质，可以判断它们在 水环境条件下的相对疏水性大小。 温度明显的影响分子的性质，量子化学计算一般得到的是2 9 8 1 5 k 下的结果。 对于药物学，人们更关心的是人体温度下的数据。量子化学计算结果是否可以用于 人体温度? 这就需要考察温度的影响。利用s i l y b i n 二种异构体为模型分子，分别考 察它们在气相和水溶液的性质随温度的变化，可以得到这个问题的答案。 ( 3 ) 采用分子簇的研究方法考察若干含有酚羟基的类天然化合物与水形成的络 合物的稳定结构，考察结构中o h 键长、伸缩振动频率的大小与分子酸性、p k a 值 的关系。 首先考察苯酚体系，分别研究水分子、苯酚、1 ，3 间苯二酚、3 甲氧基苯酚、 与水分子和o h 。作用的情况。观察它们的溶剂化能量，以及电离反应的趋势。有机 物分子的p k a 值与分子中羟基的键长、氢键的键长和伸缩振动频率有关。对本文所 研究的体系，是否可以得到结构参数与“p k a 值的关联关系? 这是我们关心的问题。 对于复杂的药物分子，如水飞蓟滨，它属于黄酮类物质，含有若干有效结构基 团，如苯酚、色原酮、和黄酮。为研究水飞蓟滨的溶剂化，我们分别考察这些结构 基团的溶剂化性质，研究它们与水形成络合物的的稳定性，研究不同部位的羟基与 水的相互作用，由此引起的o h 键长和强度的变化。推断分子的电离情况和p k a 值 分子水化性质的量子化学研究 第一章文献综述 相对大小。在这些基团研究的基础上，研究复杂的药物分子水飞蓟滨的溶剂化性质 和分子酸性。 参考文献： 【1 1 湛昌国；溶液中分子的从头算电子结构理论的最新进展；华尹廊荐大学学旅r 矽群群 绚2 0 0 3 ，3 7 ( 3 ) ，3 6 3 - 3 6 8 【2 1 b a n d y o p a d h y a yp , g o r d o nm s ；ac o m b i n e dd i s c r e t e c o n t i n u u ms a l v a t i o nm o d e l ： a p p l i c a t i o n t og l y c i n e ；j c h e m p h y s , 2 0 0 0 ，1 1 3 ，1 1 0 4 1 1 0 9 3 1 c l e m e n t ie c o m p u t a t i o n a la s p e c t so fl a r g ec h e m i c a ls y s t e m m s p r i n g e r ： b e r l i n ，1 9 8 0 4 】v r e v e nt ，m o r o k u m ak ，t h eo n i o m ( o u ro w nn l a y e r e d i nt e g r a t e dm o l e c u l a r o r b i t a l + m o l e c u l a rm e c h a n i c s ) m e t h o df o rt h ef i r s ts i n g l e te x c i t e d ( s1 ) s t a t ep h o t o i s o m e r i z a t i o n p a t h o far e t i n a l p r o t o n a t e d s c h i f f b a s e ，j c h e m p h y s ， 2 0 0 0 ，11 3 ，2 9 6 9 2 9 7 5 【5 j u n gy ，h oc h o ich ，g o r d o nms a d s o r p t i o no fw a t e r o nt h es i ( 10 0 ) s u r f a c e ：a n a b i n i f i oa n d q m m mc l u s t e rs t u d y 上p h y s c h e m b ，2 0 0 1 ，1 0 5 ，4 0 3 9 4 0 4 4 6 t o m a s ij ，p e r s i c om m o l e c u l a ri n t e r a c t i o n si ns o l u t i o n ：a no v e r v i e wo fm e t h o d s b a s e do nc o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o no f t h es o l v e n t c h e m r e v ，1 9 9 4 ，9 4 ，2 0 2 7 2 0 9 4 7 c r a m e rcj ，t r u h l a rd gi m p l i c i ts a l v a t i o nm o d e l s ：e q u i l i b r i a ，s t r u c t u r e ，s p e c t r a ，a n d d y n a m i c s c h e m r e v ，1 9 9 9 ，9 9 ，2 1 6 1 2 2 0 0 【8 】k i n o s h i t am ，h i r a t ae ，a p p l i c a t i o no ft h er e f e r e n c ei n t e r a c t i o ns i t em o d e lt h e o r yt o a n a l y s i so ns u r f a c e i n d u c e ds t r u c t u r eo f w a t e r , z c h e m p h y s , 1 9 9 6 ，1 0 4 ，8 8 0 7 8 8 1 5 【9 1 k e r d c h a r o e nt , m o r o k u m ak ，c o m b i n e dq u a n t u m m e c h a n i c sa n dm o l e c u l a rm e c h a n i c s s i m u l a t i o no fc a 2 + 锄m o n i as o l u t i o nb a s e do nt h eo n i o m x sm e t h o d ：o c t a h e d r a l c o o r d i n a t i o na n di m p l i c a t i o nt ob i o l o g y , zc h e m p h y s 2 0 0 3 ，1 1 8 ，8 8 5 6 8 8 6 2 1 0 d o n g m e ih u a n ga n d y i b ow a n g ，t h e o r e t i c a ls t u d yo fs t a b l ei n t e r m o l e c u l a r c o m p l e x e so f f u r a n w i t h h y d r o g e n h a l i d e s 上p h y s c h e m a2 0 0 4 ，i 0 8 j 1 3 7 5 一、1 3 8 0 11 c l i n t o nc o n l e y ，f u m i n gt a o ，i o n i cd i s s o c i a t i o no f h y d r o g e nb r o m i d e i nw a t e r 7 分子水化性质的量子化学研究 第一章文献综述 c l u s t e r s ：ac o m p u t a t i o n a ls t u d yc h e m i c a l p h y s i c sl e t t e r s3 0 1 ，1 9 9 9 ，2 9 - 3 6 【1 2 l iz h i r u ，w ud i ，l iz e s h e n g ，h u a n gx u r i ，f u m i n gt a o ，s u nc h i a c h u n g l o n gr a n g ed - t y p eh y d