（物理化学专业论文）抗氧化剂清除自由基的作用机理及结构活性关系研究.pdf

出东师范大学硬士学位论文 摘要 鉴于清除自由基的重要性，寻找高效、低毒、价廉的抗氧化剂已成为生物、 化学、医学等研究领域的重要课题目前丰富和拓展抗氧化剂种类的途径主要 有两种，一种是对原有的抗氧化剂进行结构修饰以提高活性，另一种途径就是找 寻和研究安全、无毒、高效的天然植物抗氧化剂。因此，合理设计并深入研究人 工合成及天然抗氧化剂清除自由基的机理，以及在此机理基础上总结抗氧化剂的 构效关系，能深化对抗氧化剂的认识，加速抗氧化剂的筛选。 本文合理设计了一类新型抗氧化剂，用量子化学的密度泛函理论方法研究了 合成及- 二些天然抗氧化剂清除自由基的反应机理，总结了抗氧化剂的结构一活性 关系，为寻找设计新颖高效的抗氧化剂，丰富抗氧化剂的种类提供了理论依据 本文的主要研究内容为： i )4 ，孓二羟基异喹咻及其衍生物的抗氧化性能研究 设计了一类新型抗氧化剂4 ，5 二羟基异喹啉p m q ) 和它的一系列衍生物 d 硒q s ，并用密度泛函理论( d f l ) 研究了它们的结构精性关系( s 幔) 。研究表明， d h i q s 在清除过氧自由基r o o - 时和对应的酚1 ，8 萘二醇及其衍生物d i o l s 有 相似的反应活性，却比后者有更高的气态稳定性。因此，d 砸q s 是一类优良的 抗氧化剂，可以认为d i i q 是一个好的抗氧化剂先导结构 2 ) 1 ，8 萘二醇和4 二羟基异喹啉清除0 0 c i l 3 反应的过渡态机理研究 用b 3 i 聊婚3 1 l + g ( d p ) 方法研究了l ，8 萘二醇和4 ，5 二羟基异喹啉清除 o o c h 3 反应的过渡态及反应机理。通过分析两个抽氢反应过程中各自形成的反 应复合物及过渡态的结构和能量，再一次证实了l ，8 萘二醇比4 ，5 - 二羟基异喹啉 清除0 0 c i 3 的活性高；对各反应物种中o i 、o2 、h 三种原子上的自旋密度 分布和0 1 、h 、0 2 、0 1 h 、0 2 h 上的电子密度分布进行分析，表明两个反应 山东师范大学硕士学位论文 的反应机理都是直接氢传递( h 盯) 过程。 3 ) 迷迭香中几种抗氧化剂的结构活性关系研究 对迷迭香中的四种化合物c 删s i c i d ( c s a ) 、舢l ( c s ) 、 1 2 m 劬o x y l 劬n s c 踟s i c i d ( 1 2 m 0 t m n s - c s a ) 和1 2 m 础唧l _ c i s 伽o s i c a c i d ( 1 2 4 以o c i s c s a ) 进行了构效关系研究。分析它们的几何结构、电子的自旋 密度分布、o h 键的解离焓( b o n dd i s s o c i a t “删p y 简称b d e ) 表明，它们 都是活泼的抗氧化剂；c s a 比a t o c o p h e r o l ( 洳1 o 田和c s 的活性高、c s 和r o h 的活性相当：c s a 比c s 的活性高，1 2 m 0 m a n 如s a 和1 2 - m o c i s c s a 比苯酚 的活性高，研究表明c s a ，1 2 m 0 t r a n s c s a 和d 2 - m d c i s c s a 的活性较高是 由于分子内氢键形成的七元环所致。 关键词抗氧化剂自由基抽氢反应o _ h 键的解离焓( b d e ) 电离势( i p ) 结构- 活性关系 分类号0 6 4 1 1 2 l 山东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n 、，i e wo fm e 证l p o 舳c eo fs c a v e n g i l l g 自e er a d i c a l s ，n o wt h es c a r c ho fh i 曲 e 伍c ie i l _ t l o w - t o x i ca i l di n e x p e 邶i v e 枷o ) 【i d a n t sh a sb e e no n eo f 也es u b s t a i l t i a l s u b j e c t si nm a i l yf i e l d ss u ( 血雒b i o l o g y ，c h e m i s 扛ya n dm e d i c i n e t h e r ea 他钾w a y s t oe n r i c h 也es p e c i e so fa i l t i o x i d a n t s ，o n ei st oi l l c r e a s em ea c t i v i t yo f 砌o x i d a m sb y i m p r o v i n gt h e 曲m c t u r e so f t l l e m ，a n dt h e0 血e ri st of - m de f n c i e n tm 咖r a la m i o x i d a m s s o ，t h em e c h a m s mo fa n t i o x i d a ms c a v e n 西n g 行m d i c a l sa i l d ap r e l i m i r l a r y s 姻l 曲l r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i ps h o u l db es t u d i e d ，t 1 1 i sw mb eh e l p f u l i no r d e rt of i 】r m e r 也es t i l d yi nt l l i s 丘e l da i l da c c e l e r a t en l es e l e c t i o no fa i l t i 0 x i d 趾t s i nt 1 1 i st l l e s i s ，an e wc l 解so f 枷o x i 出i l l _ t sw 硇d e s i g n e d ，t l l er a d i c a l - s c a 、，e n 酉n g m e c h a i l i 锄o fs o m e 瑚枷r a la i l ds y m h e t i c 枷o x i d a n t sw 嬲i m 7 e s t i g 砒e do n ，锄d 廿l e s t m c n l r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h j p ( s a r ) o ft l l 锄w 鹬鲫m m 耐z e db yq m n m mc 捌c a l c o m p u t a t i o i l a lm e t h o dd f t 1 1 1 i sp r o v i d e s 也似i c a lb a s i s 肿to n l yf o rs e a r c h i n g 姐d d e s i g n i n gn o v e la n t i o x i d a l l t s ，b ma l s of o ri n c r e 舔i n gt 1 1 es p e c i e so f 枷0 x i d a n 乜 t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e d 1 )s t u d yo nt h ea n t i o x i d a t i o no f4 ，5 - d i h y d r o x y i s o q u i n o i i n e ( d h i q ) a n di t s d e r i v a t i v e 盛 1 0 锄h 锄c em eg 嬲蛐出i l i t yo fg r e a t l yr e a c t i v ea n t i o ) 【i d a n t s ，4 ，5 - d i h y d m x y i s o q u i i l o l i n c ( d h i q ) a n di t s d e r i v a t i v e sa r e 瑚| t i o i l a l l yd e s i 驴e d 嬲an e wc l a s so f 锄t i o x i d 瓤l 协r i h es t m c m r e - a c t v i t yr e l ；l t i o l l s l l i p s ( s a r ) o fm ec o m p o i l n d sa r e e v a l u a t e db yd e n s i t ) ，觚c t i o n a lm e o r y ( d f dm e t l l o d c a l c u l a t i o 地s h o wm a td h i q s h a v es i i i l i l a rr e a c t i v 姆w 础p e r o x y lr a d i c a l sr o o t 0m a to fe q l l i v a l e n t l ys u b s t i m t e d p h e n o l s1 ，8 - n a p h t h a j e r i e d i o l sd i o l s ，b u t1 1 i 曲e fs 诅b i l i 哆t 0a i ro x i d a t i o n 舡a c o n s c q l l e n c e ，d h i q sa r eg o o da m i o x i d a l l 招a i l dd h i q c a i lb er e g a r d e d 船ap o t e n t i a l n l 山东师范大学硕士学位论文 l e a dc o m p o u r l d 2 ) i n v e s t i g a t i o ni n t ot h et r a n s t i o ns t a t 韩a n dm e c h a n i s mo fh - a t o ma b s t r a c t i o n b y 0 0 c h 3 f 1 0 ml ，8 - n a p h t h a i e n e d i o la n d4 ，5 一d i h y d l o 】叮i s o q u i n o 硅n e i nn l i sp a p 也e 协m s t i o ns t a t e sa n dm e c h a l l i s mo fh - a t o ma b s 仃a c t i o nb y 0 0 c h 3f 如m 1 ，8 n a p h n l a l e n e d i o la i l d4 ，5 - d i h y d r o x y i s o q u i n o l i n ew e r ci n v e s t i g 舢e d b yb 3 l y pm e t h o di n6 - 3 1 1 + g ( d ，p ) l e v e l nw a sc o n f i n n e dn l a t l er e a c t i v n yo f1 ， 8 一舱p h m a l e n e d i o li sl l i 曲c rt l l a nm a 士o f4 ，5 - d i h y d r o x y i s o q l l i l l 0 1 mb y 黝l y z 吨恤 s m l c m r e sa i l de n e r g yo ft 1 1 e i r 劬n s t i o ns t a t e s 锄di n t e 衄e d i a t eh y d r o g e n b o n d e d c o m p l e x e sw h j c hw e r ef o r r 】1 e di nt l l ep r o c e s s i l l go fh a t o ma _ b s t r ；a c t i o n nw a sa l s o r e v c a l e dt h a tm em e c h a n i s mi sad h c th a t o m 触凼gp r o c e s s i n g ( h a t ) b y 弛a l y z i l l gm es p i nd e n s 姆o f n l e0 1 ，0 2a n dh ，a s w e i lt h ee l e c 仃o nd e n s 姆o f o l ，h ， 0 2 ，0 i h a n d0 2 _ h 3 ) as t l i d yo nt h es t r i l c t u r e - a 曲i 锣r e l a t i o n s h i p so faf e wo fa n t i o x i d a n t si n n a t l i 豫lp i a n tm s e m a r y as t i l d yo nt h es 虹u c 恤- a c t i 、r i 谚r e l a t i o i l s h i po fc 锄o s i ca c i d ( c s a ) ， c 跏o s o l ( c s ) ，1 2 一m e m o x y l 一仃a _ l l s - c a m o s i ca c i d ( 1 2 一m o t r a i l s c s a ) a n d l 2 - m e t l l o x y l - c i s 伽o s i ca c i d ( 1 2 m o c i s - c s a ) a sa n _ t i o x i d a n t s 邯p c r = f o m e d n w 蠲i n d i c 砷e d 廿1 a tc s aa n dc sa a c t i v ea 苴l t i o x i d a i l t sb yi n v e s t i g a t i n gt h e g e o m e t 呵o fg r o u n ds t a t cm o l e c u l e sa n dt l l e i rr a d i c a l s ，t l l ee l e c 们ns p i nd e n s i t y d i s 乜i b m i o no ft h em d i c a l s ，a n dt l l eo hb o n dd i s s o c i a t i o ne n 也a l p y ( b d e ) ；m e a m i o x i d a t i v ea c t i v i t y o f c s a i sh i g h e r t l l 锄t h a t o f c sa n d a - t o c o p h e r o l 一t o h ) ， 孤dm ea c t i v 埘o f c si sn e a l l yi n d 锄c a lt 0t h a to f a t o hb yc o m p a r i n gt l l e i r o - hb d e s ；t h es “e n - m e m b e r 血gf o r i i l c db yi 1 1 魄吼o l e “a rh y d r o g e n - b o n d l e 甜st o 吐屺l l i g h e ra c d v i t yo fc s al h 趴t h a to fc s ，鹳w e u1 2 一m o - t i 孤s c s a a i l d1 2 - m o c i s c s a m a nt h a to f p h c n 0 1 k e y w o r d s ：a 埘o x i d 舭t t a d i c a lh - a t 衄a b s 廿a 吐i o n 贼蛾i o n0 - hb d em s n l l c t u r e - a c t i v 时r e l a t i o n 出p s o r tn u m b e r ：0 6 4 1 1 2 1 0 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名多甲啦玲 字：肜鳓l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权盟可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：l p 纠 ，砖、 签字日期2 。0 7 年f ，月 严 一字形鳓、 槲7 年叩 山东师范大学硕士学位论文 第一章前言 第一节自由基与健康 健康一直是人们追求的目标。许多研究人员致力于生命机理的研究和药物的 研制。由于人是需氧生物，因此体内不可避免地产生自由基。自由基是带有未成 对电子的分子、原子或离子。比较常见的有h o 、n o 、0 2 、r 、r o 、r o o 等 它们在体内可以通过多种途径产生，如，辐射、光、金属离子，化学毒物、药物 以及受刺激巨噬细胞的释放与呼吸过程等均能产生此类自由基。 关于自由基在生物体内的作用，人们已经进行了一个多世纪的研究1 9 0 0 年g ( 髓b e i ：g 对三苯甲基自由基的发现揭开了自由基化学的篇章。1 9 3 1 年m i c h a l i s 首次提出某些酶促氧化还原反应的中间产物为自由基。随后几十年，逐渐发展了 自由基生物学。2 0 世纪8 0 年代中期，一氧化氮的生理作用与病理生理学作用的 新发现不仅扩充了自由基生物的内容，而且把这门新学科推向前所未有的新的高 度。近3 0 年来，自由基生物学已经成为生命科学中发展极为迅速和十分蓬勃的 新学科，而且已经渗透到其他的生命科学，特别是医学 但是对于自由基在生物体中的主要作用，至今还没有清楚的答案。众多的研 究发现，很多疾病，例如肿瘤、冠心病、急性胰腺炎、有机体细胞老化、冠状动 脉粥状硬化、帕金森氏病、缺铁性再灌注损伤以及神经退行性疾病等等都与自由 基有很大的关系【l 棚。也有人提出这样的看法：自由基既不是衰老和各种疾病的 “元凶”，也不是代谢和组织损伤的“残余”；自由基、活性氧、活性氮可能是生物 体内很多变化过程中起到调节作用的普通中间介质嘲。自由基生物学和自由基医 学研究表明：一定浓度的自由基是机体进行正常生命活动的必要条件之一，但过 多的自由基对机体则是有害的它可以直接攻击d n a ，造成其永久性损伤；可 以攻击生物膜的不饱和脂肪酸引起膜脂质过氧化反应；可以攻击蛋白质引起其结 构与构象的改变，造成肽链断裂、聚合与交联；所有这些生物大分子结构与功能 的改变，必然会导致细胞功能的紊乱。从而导致很多疾病口胡。 为了减轻自由基的危害，目前寻找高效、价廉、低毒甚至无毒的抗氧化剂的 山东师范大学硕士学位论文 工作倍受关注【7 。1 4 1 。各种天然的和人工合成的抗氧化剂，大多都是酚类化合物， & 口酚类抗氧化剂，已被广泛用于防护自由基对生物靶分子的毒害。到目前为止， 抗氧化剂的筛选仍主要采用大规模实验的传统方法。但是由于实验条件不一致 及实验的体系和环境较复杂，不同的实验室对同一种抗氧化剂的评价也往往存在 很明显的差异，而且试验方法费时费力。因此，如果能从理论上找到一种切实可 行的方法，对抗氧化剂清除自由基的活性进行大致的预测，将大大的减少筛选合 适的抗氧化剂的工作量，也可以对不同实验室所得到的不同的实验数据进行判 别，而且可能从理论上构造出新的活性更高的抗氧化剂，从而指导实验上抗氧化 剂的合成与筛选，促进医学、食品、化学工业的发展。 第二节研究进展 近几年来，随著激光和分子束等现代实验技术的飞速发展，特别是多学科交 叉的飞秒化学的诞生【”】，人们已经能够从分子层次去探索基元反应，甚至可以 用超快光谱观察反应的过渡态，真正实现对化学反应的“实时”检测，从而揭示化 学反应的本质。在实验研究方法迅速发展的同对，理论研究方法也引起人们的 重视。1 9 2 7 年，h e m 盯和l 0 n d o n 运用量子力学的原理研究氢分子的结构，揭 开了量子化学的首篇章。到了8 0 年代初期，量子化学已经发展成为一门独立的， 同时与化学各分支学科，以及物理、生物、计算数学等学科互相渗透的学科 随着人们认识水平向微观化的发展，量子化学将成为一切从分子水平上探讨自 然界奥秘的科学的基础，其应用范围很广其中生物和药物的量子化学研究是 应用研究中一个活泼的领域，分子生物学力图从生物分子的结构、性能及相互 作用揭示生命现象的本质，量子化学计算有助于实现这一目的量子化学计算 方法对生物化学的渗透，已经导致了量子生物学的建立对药物分子构效关系 的研究，已经有意识地用于母体结构或取代基的选择，提出更好的先导化合物， 作为药物合成的基础这不仅深刻地揭示药物疗效的本质，也加速了药物合成 的进程。量子化学与药理学相结合，已经形成量子药理学的分支学科特别是 随着计算机技术的发展和计算方法的程序化，已经建立了多种计算程序，其中 2 山东师范大学硕士学位论文 最著名的是1 9 9 8 年诺贝尔化学奖获得者p o p l e 教授组编写的g a 璐s i 缸程序。该 程序直接利用王噩r 方程进行严格计算，即所谓“量子化学从头算方法”。采用基 于量子化学原理的g a 邺s i 距程序和近几年发展的结构活性关系 ( s 锄】c t i l m 础t i v i t yr e l a t i o n s h i p s ，简称s a r ) 理论研究抗氧化剂是一种非常有效 的途径和方法。定量构效关系是利用最小数量的化合物及其活性的数据获取最 大限度的构效关系信息，在构效关系之间建立数量上依赖关系的数学模型，借 以指导新化合物的设计、合成及预测未知物的生物活性及物理化学性质。因此， 如果能够总结出抗氧化剂的定量构效关系【1 6 m ，并借近来迅速发展的计算机辅 助分子设计( c o 珀p 1 扎* a j d c dm o l e c l d ed e s i g n 简称c a m d ) 技术，将减少抗氧 化剂筛选过程中的盲目性，且有可能按照不同需要构建出活性更高的新型抗氧 化剂。 目前研究普遍认为抗氧化剂的作用机制包括间接清除自由基和直接清除自 由基两条途径，前者指酚类抗氧化剂通过络合金属离子以降低f 钮t o n 反应 ( q + l 2 0 2 专o 矿o h + 0 h ) 的速率而减少羟基自由基的生成；后者指酚类 抗氧化剂通过酚羟基的抽氢反应生成稳定的苯氧自由基从而中断链式反应，反 应机理主要有两种( 以过氧自由基为例) ；第一种机理是一步抽氢反应( 1 ) ，即： r 0 0 + 髓i _ r ，o o h + r x ( 1 ) ；第二种机理是质子伴随的电子转移反 应( 2 ) ，即：r o o + r x h r 0 0 一+ r x h + r 0 0 h + r x ( 2 ) 在这 里，x 代表o ，s ，n ，c 等 n a g a o k a ，s 等( 1 9 9 2 ) 发现反应机理受溶剂的影响，在一定的化学或者生物 环境中两种反应机理可以共存f 】司i 。五呜o l d ，瓦u ，w 啦地j s f 2 舛捌等发现在非极性 溶剂中，反应机理主要是机理( 1 ) ，理论参数是) h 键解离能( b d e ) 脚删， x - hb d e 越低，反应越容易进行b d e 的定义是：b d e = h f + h h h p ，其中珥 是母体分子的生成焓；h f 是相应的自由基分子的生成焓；h h 是h 原子的生成焓 这一指标现在已经广泛应用于预测抗氧化剂的活性原因如下：清除自由基的 速率常数k = a p ( ，g 瓜d ，其中g = ：h t s 由于s 很小，可以 忽略【1 1 1 ，所以g * h ，且h 与b d e 有很好的相关性嗍，所以l g 虹与 b d e 有一定的相关性。但是由于没有考虑指前因子a 的影响，所以计算的b d e 与l g b 的相关系数不是很高。从b d e 的定义可以知道，h f 值是受自由基未成 出东师范大学硬士学位论文 对电子密度重新分布的影响自旋密度分布的越好，则h f 值越低。另外，单酚 化合物的h o m o 能级与b d e 有很好的相关性，所以，推测在一定程度上，自 由基的电子自旋密度，母体的h o m o 能级能作为b d e 的辅助函数表征抗氧化 剂的清除自由基活性。 z h 锄g ，h y ，j 0 v 瑚v i c ，s v ，n a k a n i s h i ，i 【3 3 j 发现在极性溶剂中，反应机 理倾向于机理( 2 ) ，理论参数是整体分子的电离势( i p ) ，口越低，反应越容易 进行。i p = 凰一珥其中耳是母体分子的生成焓；凰是相应自由基阳离子的生成 焓。例如，n j 出a n i s h i a n d c d - w o r k s 建议在m e c n 或e t c n 极性溶剂中，( + ) 一 儿茶素清除自由基的机理倾向于机理2 口2 1 m e c n 或e t c n 是氢键接受者，所以 在酚羟基和溶剂分子间可以形成分子间氢键，从而阻碍了抽氢反应，大大的降 低了一步直接清除自由基的速率附5 】。尤其是对包含儿茶酚结构的儿茶素，斛 皮素等多酚化合物，其受溶剂的影响比单酚化合物维生素e ，b h t 等要大一些 p 7 l 。 到目前为止，主要集中在对机理( 1 ) 的研究。因为在极性溶剂中反应很复 杂，所以这方面的文献报道不是很多 由于酚类抗氧化剂在临床医疗和工业生产中的重要性，很多科研工作致力 于寻找活性比f r o h 更高的天然的及合成的叛颖的抗氧化剂，目前研究中存在 的主要问题有： l许多科研工作者在成功设计出高效的抗氧化剂先导化合物的同时，也遇到了 一些闯题。如，有些抗氧化剂由于活性太高直接和周围的氧通过电子传递反应， 不能在气相中稳定存在，从而降低了清除自由基的活性。 2对于许多新开发的天然抗氧化剂的抗氧化性的研究只是在实验室里进行，缺 乏理论上的指导及确证。 针对目前存在的问题，本文的主要研究内容有： l 合理设计一类抗氧化活性高，又有较高气态稳定性的新颖抗氧化荆，并研究 它们的取代基效应。 2 利用所得计算数据解释实验上所得抗氧化剂的活性，并研究不同抗氧化剂的 结构活性关系及其清除自由基的作用机理。 4 山东师范大学硕士学位论文 参考文献 【l 】g r 0 b e r l a l 厶聊a i l z 脚t c 托巩9 5 ( 1 9 9 1 ) 7 9 7 3 【2 】赵克然，杨毅军，曹道俊宥茸亩塞与锍庶中国医药科技出版社，北京，2 0 0 0 【3 1 钟慈声，孙安阳钶纪痢微生物辱毙上海医科大学出版杜。上海，1 9 9 7 【4 】j a n t o s i e w i c 乙j p i 俩i g i s ，h 1 8 h j g u ，t h 科缸薯帆z 弼弧础叼腻1 7 ( 1 9 9 5 ) 2 3 l 【5 】赵保路钉茸曲基移无熊苏霜纪张科学出版社，北京，1 9 9 9 【6 】孙存普，张建中，段绍瑾茸曲墓生锄弓蹿尬中国科学技术大学出版杜合肥，1 9 9 9 【刀莫简茸虏基- 竺毋彩学莲口邑原子能出版社，7 ( 1 9 9 9 ) 7 嘲i 方允中，李文杰茸亩垄与骧科学出版社，北京，1 9 8 91 9 3 【9 】宋振玉，刘耕陶当开劈l 量髯中国协和医科大学、j e 京医科大学联合出版社。北京， 1 9 9 7 【1o 】g s t l b u l l 幽硎磊咖6 l ( 1 9 8 8 ) 1 6 5 【1 1 1b i a l l j w e l i 触a 如j l o l i g 0 i a m 嘲& 而耐c 矾砌妇3 3 ( 1 9 9 5 ) 6 0 1 【1 2 】o i a 埘。眦，钟砌出d 肋 d 0 正2 0 ( 1 9 9 6 ) 6 7 5 【1 3 】蔡突文，赵谋明，彭志英天然抗氧化剂发展近况，垆国越癌“( 1 9 9 9 ) 4 5 【14 】b d e 咖i g a d a r n s ，w w ad a 】吣切拼2 9 8 ( 2 0 0 2 ) 2 1 4 9 【1 5 】s p e d 朗s 锄，l b 锄1 a f 端，a h z e w a j l zc 而绷p 枷9 7 ( 1 9 9 2 ) 8 8 0 1 【1 6 】王连生，韩朔睽分子结构，毖厉等劳丝化学工业出版社，北京，1 9 9 8 【1 刀郭宗儒药劢纪学崩缘中国医药科技出版社，1 9 9 61 0 7 【l8 】s n o 朗础乌a k i 啪n a k a ，ht s 捌，uh a g a s h i m a ，k m i k a i z 尸咖s c 托研，9 6 ( 1 9 9 2 ) 2 7 5 4 【l9 】gw b m t o n ，yl ep a 鹃e j g a b e ，k u h l 印i d z 曲 c 抛m 瑶1 0 2 ( 1 9 8 0 ) 7 7 9 1 【2 0 】gw ：b 1 m 呱t e j g a b e l h 1 l 帆f l k e ，l p 喊k u 酬d ，m c a 删勋味1 0 7 ( 1 9 8 5 ) 7 0 5 3 【2 1 】 l i d e h e p m u l d h ，如k o r i h k u i n g o uj l u s 匆kj = 4 m 锄绷s 钯1 2 2 ( 2 0 0 0 ) 2 3 5 5 【2 2 】m c f o t i ，e j o h n s 伽，m 1 乙v i n q v i s t j s w 啦蚝l 1 l c b a k l a y ，k u i n g o l d j = d 苫 5 山东师范大学硕士学位论文 函6 7 ( 2 0 0 2 ) 5 1 9 0 皿3 】s a b e v 卸a c k l l l k o y m 姐s ，a b a 乩，俺p 矗硎缸曰j d f 朋戤8 0 ( 1 9 9 3 ) 1 6 1 3 【2 4 】e m i g l 研a c c a p | a q 衄l p t b 1 髓饥肫m c h 蛔一c 衄( 1 9 9 7 ) 1 6 1 3 【2 5 】h y z h 趾辱- j = 加洲a 删跏7 5 ( 1 9 9 8 ) 1 7 0 5 【2 6 】h y z h a n 参y m s 吼，g q z i l 龃舀d z c h 吼姗 能t 卅髓m z 耐1 9 ( 2 0 0 0 ) 3 7 5 【2 7 1j s w r i 鼬e 1 乙j o h n s o n ，g a d i t a b i o j = 砌c 抛m & b 1 2 3 ( 2 0 0 1 ) 1 1 7 3 【2 8 】e gb a l 。曲a 黯i s ，a c h 曲删a l l v s m e i i s 娜，m t s 蛆i d a i l m t s o l a l d ，a 懈i a d k 上劬协3 6 ( 2 0 0 1 ) 1 8 1 【2 9 】s 1 o m i y 锄a s s a k a i t n i 时虹y 缸i a f y 细a d a 口弘配c 舞唧e 巧瓢6 6 ( 1 9 9 3 ) 2 9 9 【3 0 】s vj o 啪o v i c s s t l l l 锄m 1 砖i c ，b m a 巧a 埘v i c ，m gs i m i c z 彳用c 研& 船1 1 6 ( 1 9 9 4 ) 4 8 4 6 【3 1 1s v j 锄a v i c ，s s t f 妇：n ，y h 掣马m gs i m i c j = d 翻札u 碱跏i 胁2 l l ( 1 9 9 6 ) 2 4 9 7 【3 习i ，n 妇 s h i ，k m i y a z a 】c i ，t 蚴a d a k 。o m r l b o ，& u 船o n 玫a 协，t o 盈w & f 1 曲l 盈如i ，k f i d a l l l a 馏j = 肋蓉c 巩彳1 0 6 ( 2 2 ) 1 1 1 2 3 【3 3 】l k 伽【g 乙l s 吼，l f w 锄舀h y 刁掰i g ，s d y 幻，日h c h 咖一c 细8 7c 2 4 ) 5 1 1 【3 4 】d f v a 硼a k 。u 砸g o 】d j l l l s 矗y k w h 。e 侍鸭d 殳p i o c 叩i o z 觎c 勉掰& e 1 1 7 ( 1 9 9 5 ) 2 9 2 9 【3 5 】p a m 缸l i ，k u i n g o l d ，j l u s 矗y k - j = 魄c j 砌6 l ( 1 9 9 6 ) 1 3 1 6 【3 6 】l & c b 戤l a y c e e d w a 惑，m ，& 掣缱z 翩，锄僦s 冼1 2 l ( 1 哟6 2 2 6 【3 7 】p p e d r i e u l gf p e d u i l i ，l h s h b s 眙d z 彳g ，缸j 磁c 舞硎4 9c 2 0 0 1 ) 3 0 3 4 6 山东师范大学硕士学位论文 第二章基本理论与计算方法 量子力学的形成奠定了现代物理和化学的理论基础由于求解量子力学方程 的复杂性。早期的量子力学只能解决定性的化学问题。但随着计算机技术的发展 和计算方法的程序化，量子力学已经几乎能够解决各种化学问题。量子力学的基 本原理和方法在化学过程中的应用形成了物理化学分支学科一量子化学。 第一节量子化学基本理论 用量子力学研究原子或分子结构，主要是求解定态的s c 蛐g 盯方程首 先是把定态的s c h d 0 d i l l g 髓方程写出来；其次求解s c b r o d i n g 盯方程，得到定态的 波函数甲和相应的能量本征值e ；最后进行其它的力学量计算 1 s c h r o din g e r 方程1 习 量子力学揭示了微观粒子体系的波粒二象性，这种波粒二象性粒子波函数的 s c h r o d i l l g 盯方程为： 一杀v 2 + y 甲( ，) 嘻掣眨m 通过解s c h r d d i n g 盯方程就可以获得关于粒子的能量及其它性质的信息。将此方 程进行变量分离，即将甲( r ，) 表述成甲( ，) 和f ( ) 的乘积形式，于是可以得到不含 时间的s c h r o d i g 盯方程： h 壬，) _ e 、王，( r ) ( 2 0 2 ) 其中， h ：一：生v ：+ y ( 2 0 3 ) 断2 珊 、 b o m - 0 p 脚h e i m e r 近似是为简化求解s c h r o 曲1 9 盯方程而引进的第一个近 7 山东师范大学硕士学位论文 似，它是将电子运动与核运动分离，因为核质量远远大于电子质量，核的每一个 微小的运动电子都能迅速调节而适应核的新位置。于是电子在分子内依赖核的位 置而不是它们的速率。分子体系的h a m i l t c m 量可以表达为： h = r ( r ) + 1 r n ( r ) + v ”民r ) + 、，c ( r ) + 、，l l ( r ) ( 2 0 4 ) b o m 研】p e n h e i m e r 近似允许两部分可以分开来处理描述电子运动的 s c h r o d i l l g e r 方程为： 舒妒 炉e $ ) 妒 r )( 2 0 5 ) 其中e o q 依赖于核坐标，它描述了体系的势能面相应的，e 用作核哈密顿 的势能，即 h 畸t “0 1 ) + e ( r ) ( 2 0 6 ) 2 h a r t r e e f o c k 理论1 对 即使对最普通的分子严格求解s c h f 6 d i n g 盯方程几乎也是不可能，因此有必 要引进一些假设和近似 2 1 分子轨道理论近似1 棚 2 1 1 分子轨道理论的要点 与着眼于形成共用电子对的价键理论不同，分子轨道理论是将分子作为整 体来考虑的，其要点如下： 1 ) 分子轨道概念 假定分子中的每个电子独立的运动在各个原子核和其余电子组成的平均势 场中，每个电子的运动状态可以用电子波函数l 王，i 来描述，t i 仅仅是i 电子的坐标 函数，这种分子中的单电子空间波函数称为分子轨道。 2 ) 分子轨道的形成 根据电子运动的波动性，分子轨道甲可以近似用原子轨道的线性组合得到， 组合系数由变分法确定，这种方法通常缩写为l c a d m 0 8 山东师范大学硕士学位论文 t 、玉，j = 巧f o f ( 2 0 7 ) - l 式中甲j 为分子轨道，数目与组合的分子轨道相等，。j i 是i 原子轨道的o f 的组合 系数各个原子轨道的系数的平方和驴= l 。i 原子轨道对第j 个分子轨道的 贡献为磊。 3 ) l c a o m 0 的规则 不同的原子轨道能有效地组成分子轨道的原则有三条：对称性匹配原理，能 量近似原理，最大重叠原理。 2 1 2 分子轨道理论近似 分子轨道理论近似认为，波函数、i ，是分子轨道l 、o 。的线性组合，即 v ( r ) = o i ( f ) oz ( r ) 其中， l l p t 丸出西d z = 6 。 ( 2 0 8 ) ( 2 唧 然而，此时的波函数不满足反对称化要求。我们可以对n 电子体系用观个 分子轨道建立一个闭壳层波函数，并且给每一个分子轨道配备一队自旋相反的电 子于是分子轨道组合的最简单的反对称化波函数可以写成为： k “k ( 1 ) 氟“妒( 1 ) 。“k “) 。g 妒( 1 ) 刑2 虬以南磊纯珏“& _ 诫 l22 ( 2 1 0 ) 2 2 基组 另一个近似就是将分子轨道表示成单电子基函数的线形组合，一个独立的分 子轨道被定义： n ，= h ( 2 1 1 ) 山东师范大学颈士掌位论文 其中x l x n 可归一化从头算程序中用g a 邺s i 锄型原子函数作为基函数，它可 以表示为： 这样， 因此， g ( a ，炉戗“y m 如姐 以= 岛 ， o ，= 勺略g ， f， 2 3r o o t h 觚n - h 枷方程 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 2 ) 轨道近似原理( 分子轨道，原子轨道，单电子近似组成多电子体系态) 的核 心方程是h f r o a i b a a n 方程，是先由勘m e 提出，后经s l 积灯o c k 等人改造， 成为h f 方程，主要用于原子计算。5 0 年代，r t l l a a n 提出l c a o - m o 方法组 合分子轨道，将h f 方程转换成代数方程组，便于求解，用于处理分子体系。 确定最优分子轨道的方法和求最优原子轨道的方法类似，就是把体系总能量 表达为分子轨道的泛函，在保持分子轨道正交归一的条件下变分求极值，导出分 子体系的单电子s c h r 酣i n g 盯方程，从而得出分子轨道函数和轨道能。 h f 方程就是从一组非线性的积分微分方程转化为一组数日有限的代数方程 h f r o o t h n 方程。即 f c = s c 8 ( 2 1 5 ) 其中是轨道能对角矩阵，f 称为f o c k 矩阵，它表示为 ，1 易= 孵+ 阢1 名d ) 一去i 叫】( 2 1 d 其中日表示单电子哈密顿矩阵，只。为密度矩阵，它表示为： 1 0 ( 2 1 7 ) 山东师范大学硕士学位论文 因为f o c k 矩阵包含未知的波函数，只是形式上的，而非已知的。因而必须用迭 代方法求解h f 方程，最终收敛达到自洽，因而也称为自洽场( s c f ) 方法。 2 4 基函数 求解m r 方程的困难在于多中心积分，于是b o y 等人提出用若干个g a i l s s i 缸 函数拟和一个s l a t e r 原子轨道 g a u s s i 祖函数的突出优点是使多中心积分获德解析形式的鼹，变为单中心积 分，使积分计算大为简化。为了保持基函数的物理利益，同时得到多中心积分的 解析式，可将s 1 o ( s l a _ t c r 函数) 向g r o ( g a 峪s i a n 函数) 展开，表示为s 1 d - k g 。 2 4 1 双f 基 双f 基指的是将每一个s l 蛔原子轨道用两个不同的指数f 1 和f 2 的s l 砷盯 函数来描述即 妒，r ) j 妒l ( f l 力，妒2 ( f