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甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 i 摘 要 糖蛋白是人体中一种重要的蛋白质，它由多糖和蛋白质组成的。糖蛋白在结 构、含量、配比及分布上的改变使人体产生了很多疾病，比如关节炎、肿瘤、肝 病等，对糖蛋白中多糖和蛋白质之间的相互作用进行研究是十分有意义的。在所 有的 n 型糖蛋白中，多糖和蛋白质发生相互作用都是通过一种中心五糖作为连接 桥梁的。研究多糖和蛋白质的相互作用，需要对这个中心五糖的结构进行深入的 研究。 本论文使用蒙特卡罗和量子化学方法，对三种不同连接方式的甘露糖二糖分 子构象进行了全空间搜索和结构优化，得到了三种甘露糖二糖分子势能面上所有 的局域最小构象，为中心五糖结构的研究奠定了基础。 本论文分为四个章节： 第一章：本论文的研究背景介绍，通过糖蛋白和中心五糖的相关知识介绍引 入本文的研究对象甘露糖二糖。 第二章：介绍了在计算中所有用到的基础理论，包括分子力学方法、蒙特卡 罗方法、量子化学方法和基组的相关知识。 第三章：首先介绍了甘露糖和氢键的基本知识，然后是构象搜索和结构优化 的详细计算过程，最后是甘露糖二糖的势能面和频率分析。通过计算，得到了甘 露糖二糖的一系列稳定构象，并分析了稳定构象是因为分子内氢键和环间氢键的 作用。同时对最稳定的几个构象进行了振动光谱计算，为以后的实验工作提供理 论上的指导。 第四章：本文所做的工作总结及创新之处。 关键词：关键词：蒙特卡罗 甘露糖 糖蛋白 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 ii abstract glycoprotein is an important protein in human body which is consist of glycan and protein. the change of its configuration, content or distribution may cause many illness, such as arthritis and knub. it is meaningful to study the interaction between glycan and protein. in particular, all of the n- glycoproteins have a pentasaccharide as the bridge of glycan and protein. it is necessary to study the configuration of pentasaccharide for understanding the interaction principle of glycan and prtein. structural motifs and spectral signatures of three different types of dimannosides were studied in the gas phase with monte-carlo method based on molecular mechanics and quantum chemistry method in this thesis. the lowest-lying conformers were found, which is the base of building the structure of pentasacchride. there are 4 chapters in this thesis. 1. the background of our research was introduced. the importance of glycoprotein in human body and the reason why we have interest in the dimannosides were introduced. 2. the basic theory used in this thesis was introduced. molecular mechanics method, monte-carlo method, quantum chemistry method and basis set were included. 3. the lowest-lying conformers and their spectral signatures were analysed. 4. all the results obtained in this thesis were summarized and the innovation of our work was introduced. keyword：monte carlo, mannose, glycoprotein. 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 1 第一章 绪 论 1.1 糖蛋白 糖蛋白（glycoprotein）是一种蛋白质，它由一种或多种糖以共价键连接到 多肽链上而形成 1。糖蛋白中的单糖或多糖（也称为寡糖链）通过共转译修饰或后 转译修饰过程中的糖基化（glycosylation）作用而连结在蛋白质上。糖蛋白按照 其多肽链与寡糖链之间连接方式的不同，主要分为两大类：n 型糖蛋白和 o 型糖蛋 白。 糖蛋白普遍存在于动物、植物及微生物中 2，包括许多酶、膜蛋白、大分子 激素、血浆蛋白、全部抗体、血型物质和粘液组分 3。糖蛋白具有多种生物功能， 不仅对机体有润滑、防护作用，并且与细胞间的识别有关。糖蛋白在免疫系统中 也有重要作用，特别是在细胞间的免疫识别方面，主要依赖于糖蛋白的结构 4-5。 其结构中的寡糖链在信号传递、血型决定中起关键作用 6-7。 糖蛋白在生物体中的多种生物功能及其重要作用，引起了很多国内外科研小 组的兴趣。生物方面的小组在糖蛋白的生理功能方面进行了大量的实验研究 8-14， 成功解释了很多生理现象；他们了解到糖蛋白在结构、含量、配比及分布上的改 变，与某些病理过程（如关节炎、动脉粥样硬化、肝病、肾病、糖尿病、某些遗 传性疾病以及肿瘤等）的发生、发展密切相关。物理方面的小组在糖蛋白中多糖 和蛋白质的相互作用方面进行了很多实验和理论方面的研究 15-18， 解释了引起这些 病理过程的机理，也为一些疾病的治疗提供了理论依据；他们了解到，糖蛋白重 要生物功能的体现, 是由多糖和蛋白质的不同组合所决定的，对糖蛋白中多糖和 蛋白质的相互作用机理的研究还有待深入。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 2 1.2 研究内容 糖蛋白本身是个庞大的分子体系，其肽链上或多或少、或长或短的连接着糖 链，糖链少则一条、多则数百条。对于这样的体系我们无法直接研究其多糖与蛋 白质的相互作用方式。但是，在大量的研究中，人们发现一件十分有趣的事情， 就是在所有的 n 型糖蛋白中，多糖和蛋白质相互作用都是通过五糖 man3glcnac2作 为连接桥梁，如图 1.1 所示，这样使得五糖成为研究多糖和蛋白质相互作用的基 础。 图 1.1 n 型糖蛋白中，蛋白质与多糖相连时总以同一个五糖结构作为桥梁 这个五糖由三个甘露糖和两个葡萄糖胺组成的，其中心为甘露糖，甘露糖通 过（1，3）和（1，6）的方式和另外两个甘露糖连接。为什么自然会选择这 个唯一的结构？这个五糖的结构有什么特殊性？在这里我们采用自下而上的办法 来研究这个五糖，即先研究组成它的单元的单糖的结构，然后二糖三糖，一步步 逼近最终的目标。 由于对五糖中的甘露糖单糖和葡萄糖胺单糖的构象和性质的研究已经比较完 备 19-23，我们直接从二糖开始计算。同时，英国牛津大学物理与理论化学实验室制 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 3 备出了（1，3）和（1，6）连接的甘露糖二糖的样品，并通过实验测出了这 两种甘露糖二糖的红外振动光谱 24，给我们的理论计算提供了实验依据，可以用 来验证我们的计算结果。 中心五糖中只存在（1，3）和（1，6）连接方式的甘露糖二糖，除此之 外，糖蛋白中还存在（1，2）连接方式的甘露糖二糖，和中心五糖相连的甘露 糖便是通过（1，2）方式进行连接。为了对甘露糖二糖进行一个全面系统的研 究，同时也为了方便进一步研究中心五糖和多糖的作用方式，（1，2）连接方 式的甘露糖二糖也作为我们的计算对象。本文复合运用基于分子力学的蒙特卡罗 方法和量子化学方法对这三种甘露糖二糖进行了气相下的结构和光谱研究，并对 其光谱进行了指认。三种不同连接方式的甘露糖二糖的分子结构是如图 1.2 所示。 o oh ho ho oh o o ho ho ho oh 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 a o oh ho ho oh o o oh ho oh oh 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 6 5 b o oh ho ho oh o o ho ho oh oh 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 c 图 1.2 三种连接方式的甘露糖二糖的分子结构式。a 为（1，2）甘露糖二糖，b 为（1，3）甘露糖二糖，c 为（1，6）甘露糖二糖。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 4 1.3 研究意义 糖蛋白作为一种调节人体各种生理机能的重要物质，对人体的健康起着重要 的作用，通过对糖蛋白的研究，可以有效地控制一些疾病的恶化，同时也能预测 一些疾病的发生，尽早对症下药。对糖蛋白本身结构的研究，能使人们对糖蛋白 的认识更加深刻具体，以及更好的利用糖蛋白为人类做出更多贡献。本文所研究 的（1，3）甘露糖二糖和（1，6）甘露糖二糖是构成中心五糖的基本结构， 中心五糖是糖蛋白中连接多糖和蛋白质的重要桥梁。掌握了（1，3）甘露糖二 糖和（1，6）甘露糖二糖的结构特点，中心五糖的结构的基础便建立了起来， 进而为研究多糖和蛋白质之间的作用机理铺平了道路。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 5 参考文献 1 j. g. beeley，glycoprotein and proteoglycan techniques，elsevier，amsterdam，1985. 2 baigent, c.etc. collaborative meta-analysis of randomised trials of antiplatelet therapy for prevention of death, myocardial infarction, and stroke in high risk patients. british medical journal 2002, 324, (7329), 71-86. 3 hoffmeyer, s. etc. functional polymorphisms of the human multidrug-resistance gene: multiple sequence variations and correlation of one allele with p-glycoprotein expression and activity in vivo. proceedings of the national academy of sciences of the united states of america 2000, 97, (7), 3473-3478. 4 gottesman, m. m. etc. multidrug resistance in cancer: role of atp-dependent transporters. nature reviews cancer 2002, 2, (1), 48-58. 5 cannon, c. p. etc. comparison of early invasive and 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，确定分子的全局最小点或局域最小点；再 次，通过频率计算（能量对原子坐标的二阶导数） ，得到分子内由原子间运动所引 发的分子振动频率。其中，构象优化是化学计算的基础，计算分子的任何性质都 是在优化好的构象上进行的；在自然界中，分子构象往往以能量最低的形式存在， 同时根据环境的不同而发生构象变换，我们必须首先得到特定条件下的分子的实 际构象，才能进行其它性质计算。 分子力学方法以分子的经典模型为基础计算分子的结构和性质，电子结构理 论方法以薛定谔方程为基础进行计算。分子力学方法计算速度快，可计算性大， 能计算多达上千原子的体系；量子力学计算速度慢，可计算性小，目前一般只能 计算到含有几百个原子的体系，但是计算结果比较精确。此外也能计算分子力学 方法不能计算的一些性质，比如键的断裂、轨道相互作用和分子的高激发态。 本文对甘露糖二糖分子的构象研究结合了基于分子力学方法的蒙特卡罗方法和基 于电子结构理论方法的量子化学方法，所用到的理论有力场、蒙特卡罗、hf 方法、 密度泛函理论和从头算法 mp2。 2.1 分子力学方法 2.1.1 2.1.1 分子力学的发展 1930 年，d.h.andrews 提出了分子力学的基本思想，他指出：在分子内部， 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 9 化学键都有特定的键长和键角。分子要调整它的几何形状（构象） ，以使其键长和 键角尽可能接近特定值，同时也使非键作用（van der waals）处于最小的状态， 给出原子核位置的最佳排布。 1946 年，t.l.hill 提出了用 van der waals 作用能和键长、键角的变形能来 计算分子的能量，以优化分子的空间构象，这就是分子的经典力学模型，分子力 学趋于完善。 1950 年后，随着电子计算机的发展，用分子力学来确定和理解分子的结构和 性质的研究才越来越多。这时，分子力学成为结构化学研究的重要方法之一。 近几年来，随着现代技术的发展和应用，特别是计算机技术的飞速发展，分 子力学方法已不仅能处理一般的中小分子，而且能处理大分子体系；不仅主要应 用于有机化学领域，而且在其它的一些领域，如生物化学、药物设计、配位化学 中，都有了广泛的应用。 2.1.2 2.1.2 分子力学的框架 分子力学从几个主要的结构参数和作用力出发来讨论分子结构，即用势能函 数来表示当键长、键角、二面角等结构参数以及非键作用等偏离“理想”值时分 子能量（空间能）的变化。采用优化的方法，寻找分子空间能处于极小值状态时 分子的构象。 分子的空间能es可表示为： nbtbcs eeeee+= 其中ec是键的伸缩能，eb是键角弯曲能，et是键的二面角扭转能，enb是非键 作用能，它包括 van der waals 作用能，偶极作用能、氢键作用能等。这些势能 函数描述了各种形式的相互作用力对分子势能的影响，它的有关参数、常数和表 达式通常称为力场。对于某个分子来说，空间能是分子构象的函数。由于在分子 内部的作用力比较复杂，作用类型也较多,对于不同类型的体系作用力的情况也有 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 10 差别， 因此就形成了不同的力场， 常见的力场有 mm 2、 amber3、 mmff4、 opls 等。 对分子体系中的电子，分子力学方法不能给出明确的处理，它是在核相互作 用的基础上完成计算，电子效应已经暗含在参数化的力场中。这种近似使得分子 力学计算是不昂贵的，可以用于计算含数千个原子的体系，不过同时也带来了一 些限制： （1）每一种力场只能适应于特定类型的分子，还没有哪一种力场是普适的， 可以用于所有分子体系的计算； （2）电子效应的忽略意味着分子力学方法不能处理电子效应占主导地位的化 学问题； （3）取决于微妙的电子细节的化学性质也不能用分子力学方法来处理。 2.1.3 2.1.3 力场简介 一个力场包括以下几个要素： （1）有一套定义势能和构成分子的各原子位置关系的方程。 （2）定义在特定化学环境下描述一个元素特征的一系列原子类型。原子类型 描述了元素在不同环境中的特征行为，如羰基上碳的化学行为与甲基上碳的化学 行为是完全不同的。原子类型与杂化方式，电荷及与之相连的其它原子有关。 （3） 使方程和原子类型与实验值吻合的一个或多个参数。 参数定义了力常数， 力常数在方程中用于把原子特征（键长，键角等）与能量联系起来。 下面是几个常用力场的介绍。 （1）mm 力场 此力场为 allinger 等人所发展的，依其发展的先后顺序分别称为 mm2、mm3、 mm4、mm+等、mm 力场将一些常见的原子细分，如将碳原子分为 sp3、sp2、sp、酮 基碳、环丙烷碳、碳自由基、碳阳离子等。这些不同形态的碳原子具有不同的立 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 11 场参数。此力场适用于各种有机化合物，自由基，离子。应用此力场可得到十分 精准的构象，构象能，各种热力学性质，振动光谱，晶体能量等。 （2）amber 力场 amber 力场是在生物大分子的模拟计算领域有著广泛应用的一个分子力场。 这个力场由 kollman 课题组开发，最初 amber 力场是专门为了计算蛋白质和核酸 体系而开发的，计算其力场参数的数据均来自实验值，后来随著 amber 力场的广 泛应用，包括 kollman 在内的很多课题组对 amber 力场的内容不断进行丰富，逐 渐开发出了一个可以用於生物大分子、有机小分子和高分子模拟计算的力场体系。 在该力场中，ch2和ch3作为联合原子出现 ,并考虑了氢键相互作用，其模拟对 象有蛋白质、dna、单糖和多糖。总体来讲，amber 力场的优势在于对生物大分子 的计算，其对小分子体系的计算结果常常不能令人满意。 （3）mmff 力场 mmff 力场为美国 merck 公司针对有机药物设计所发展的。此力场引用大量的 量子计算结果为依据，采取 mm2 和 mm3 力场的形式。其主要应用于计算小型有机 分子系统，可得到很准确的几何结构，振动频率与各种热力学性质。是目前最准 确的力场之一。 2.2 蒙特卡罗方法 蒙特卡罗方法也称随机模拟法、随机抽样技术或统计试验法，其基本思想是： 为了求解数学、物理、工程技术或生产管理等方面的问题，首先建立一个与求解 有关的概率模型或随机过程，使它的参数等于所求问题的解，然后通过对模型或 过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。 概率统计是蒙特卡罗方法的理论基础，其基本手段是随机抽样或随机变量抽样， 对于那些难以进行的或条件不满足的试验而言，是一种极好的替代方法。 使用蒙特卡罗方法进行分子模拟计算是按照以下步骤进行的5：1）由随机数 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 12 发生器随机产生一个分子构象并对此构象的所有粒子坐标做无规则的改变，产生 一个新的分子构象并计算其能量； 2） 若新的分子构象能量低于原分子构象的能量， 则接受新的构象，使用这个构象重复进行下一次迭代；若新的分子构象能量高于 原分子构象的能量，则计算玻尔兹曼常数，同时产生一个随机数，随机数大于所 计算出的玻尔兹曼常熟则放弃这个构象，重新计算，反之则接受这个构象，使用 这个构象重复再做下一次迭代。3）如此进行迭代计算，直至搜索出所有低于给定 的能量范围的分子构象。 macromodel （schrdinger inc.） 软件中的蒙特卡罗方法有 mcmm （monte carlo multiple minimum）和 spmc（systematic pseudo-monte carlo） 6。mcmm 方法不 仅能对分子构象进行高效率的全空间搜索，也能对分子的势能面（pes）的封闭区 域和非连续区域进行研究。此方法在搜索过程中不仅能使原子坐标发生随机改变， 也能使二面角发生随机改变，并且可变二面角的数量也不受限制。需要注意的是， 这种方法搜索出的构象不一定收敛， 同时， 当可变二面角的数目超过 15 个的时候， 计算的复杂程度将会急速增加7，从而使得计算时间成倍增加，有效地控制可变二 面角的数目，可以更加高效的进行分子构象搜索。另外，mcmm 方法和一般的蒙 特卡罗方法一样， 随机的过程存在重复搜索同一构象的情况。 spmc 方法改变了这 种情况，他在搜索的时候确保每次搜索的参数都不同，不会造成重复搜索，这样 使得 spmc 方法成为搜索所有可能的稳定构象的更高效方法8。此方法尤其适用 于小分子的势能面稳定构象研究。 2.3 量子化学方法 电子结构理论建立在薛定鄂方程的基础上，采用量子化学方法对分子进行处 理。主要方法有三类：半经验方法、从头算法和密度泛函。半经验方法采用了一 些实验参数，来帮助求解薛定鄂方程。从头算法理论，在计算过程中不使用任何 来自实验的参数，只采用几个最基本的物理常数来求解薛定鄂方程，包括光速、 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 13 电子和原子核的质量、普朗克常数，所有计算都建立在量子力学原理上，这就是 为什么这种方法被称为从头算的原因。 求解 schrodinger 方程中常常采用一些数学近似，数学近似的不同导致了不同 的量化计算方法， 最经典的是 hf （hartree fock） 方法， 又称 hf 自洽场方法 （scf， self-consistent field） ，指对 hf 方程通过迭代达到自洽的计算方法，是其它高级分 子轨道理论方法的基础。 hf 方法基于分子轨道理论，它最早由 hartree 提出9，后来 fock10对其进行 改进，因此又称为 hf 理论。hf 理论的物理模型基于三个基本近似： （1）非相对 论近似：假设原子、分子中电子的质量不变，因为其运动速度相对于光速来说较 小； （2）奥本海默近似：原子核的质量是电子的 103-105倍，电子运动的速度远大 于原子核的速度，因此假设核运动与电子瞬间坐标无关； （3）轨道近似：假设体 系的电子波函数为各个单电子波函数的乘积。 由于 hf 方法没有考虑电子相关作用，因此求得的体系的总能量比实际值略 高。mp2 方法利用微扰理论考虑到了电子相关作用，计算出的能量比较符合实际， 但是由于计算量大，而只能用于计算比较小的体系。 密度泛函理论（dft）是前几年兴起的第三类电子结构理论方法，它把电子密 度作为泛函对薛定谔方程进行求解，计算速度比较快。由于密度泛函包涵了电子 相关，其计算结果要比 hf 方法相对精确。目前可以用密度泛函理论来处理含有几 百个原子的体系，成为世界上最为活跃的研究领域之一。在过去几十年里，dft 已经被广泛地用于获得拉曼光谱（raman） 、红外光谱（ir） 、质谱(nmr)、紫外光 谱(uv)、圆二色谱（vcd） ，预测分子结构、力场和光电子能谱和用于计算过渡态、 活化能、偶极矩以及其它一些结构和性质。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 14 2.4 基组 2.4.1 基组的概念 基组是体系轨道的数学描述，对应着体系的波函数。将基组带入到薛定谔方 程中，就可解出体系的本征值（既能量） 。基组越大，所做的近似和限制就越少， 对轨道的描述也就越准确，所求的解也就越准确，当然计算的时间也就越长。在 实际的计算当中，要根据不同的计算体系和不同的计算目的来设置相应的基组， 在较短的时间内完成较为精确的计算。 现在最常用的基组有 slater 基组和 gauss 基组。slater 型基组描述的轨道，简 称为 sto（slater type orbital） ，是原子的近似轨道，函数形式满足接近原子核的 cusp 条件。用 slater 型基组进行薛定谔方程求解，得到的结果十分精确，但是，在 多原子分子中，用 slater 型基组需要大量的三中心、四中心的双电子积分，使得计 算变的十分复杂，计算十分昂贵。gauss 基组是用 gauss 函数替代了原来的 slater 函数，将三中心、四中心的双电子积分转换为二中心的双电子积分，相当程度上 简化了计算。 但是gauss函数并不满足原子核处波函数的cusp条件， 直接使用gauss 函数构成基组的精度不及 slater 型基组。 鉴于 gto 和 sto 的优缺点，人们提出了 sto-gto 系列基组，用 gto 的线 性组合来近似 sto。 2.4.2 常用的基组 （1） 最小基组 sto 的优点是与真是轨道具有一一对应的关系，gto 的优点是便于积分，为 把 sto 和 gto 的优点结合起来，有人提出用几个固定的 gto 你和一个 sto，这 就是最小基组。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 15 最小基组又叫 sto-ng（n=36）基组， 即用 n 个 gto 拟合一个 sto，再 用一个 sto 拟合一个原子轨道。它的特点是从 1s 轨道到 3d、4f 轨道，每个轨道 均用同样的几个 gto 拟合。其中 sto-3g 应用最广，它是量化计算中极小基组的 首选基组，常常用于几何结构优化，寻找反应过渡态的试探计算和较大体系的计 算。1118 （2） 劈裂价键基组 化学反应主要在最外层的价电子轨道上进行，而最小基组对内层轨道与价电 子轨道同样采用相同的 gto 拟合，价电子的地位不能体现出来。为了提高计算的 精确度，同时兼顾计算的方便，于是便出现了劈裂价键基组。这种方法对内层轨 道用 1 个 sto 轨道拟合原子轨道， 价电子轨道分为两层， 用 2 个 sto 轨道去拟合。 比如 3-21g，表示内层轨道用 3 个 gto 拟合一个 sto，一个 sto 拟合一个原子轨 道，价电子层分为两层，一层用 2 个 gto 拟合一个 sto，另一层用一个 gto 拟 合一个 sto，这两个 sto 来拟合价电子层轨道。 类似的，三重劈裂价键基组就是指用三个 sto 函数来描述价电子轨道，比如 6-311g，311 就是三个函数。 （3） 极化基组 劈裂价键基组可以用于增大所描述轨道的大小，但不能改变轨道的形状。极 化基组可以通过给轨道添加角动量来改变轨道的形状，更准确地描述分子的轨道。 极化基组添加 d 函数给 c，添加 f 函数给过渡金属，添加 p 函数给 h。 常用的极化基组 6-31g（d）的含义是在 6-31g 劈裂价键基组的基础上给重原 子（c、n、s 等）添加 d 函数，也可以用 6-31g*来表示。另一个常用的极化基组 6-31g（d，p） ，表示对重原子添加 d 函数，对 h 原子添加 p 函数。 （4） 弥散函数 弥散函数是 s 和 p 型函数的扩大版，它允许轨道占据更大的空间。对于有弱 相互作用的体系（如吸附，氢键等） 、有孤电子子对的体系、负离子体系、共扼体 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 16 系和激发态体系必须使用弥散函数，分子结构才能得到很好的描述。弥散函数一 般用“+”号表示。 比如，3-21g+（d）基组是在 3-21g（d）基组的基础上对重原子添加弥散函 数，3-21g+（d）则是在 3-21g+（d）的基础上对 h 添加弥散函数。一般情况下， h 上是否添加弥散函数对计算的精度影响不是太大。 （5） 高角动量基组 高角动量基组是在极化基组的基础上给原子添加多个极化函数，这种基组常 用在电子相关方法中描述电子间相互作用，对于多电子体系的描述常用这种基组。 比如 3-21g（3d）基组表示给重原子添加 3 个 d 函数，6-311g+（2df，3pd）表示 给重原子添加 2 个 d 函数和 1 个 f 函数，给 h 原子添加 3 个 p 函数和 1 个 d 函数。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 17 参考文献 1 exploring chemistry with electronic structure method. james b. foresman gaussian inc. 1996. 2 allinger nl. j. am. chem. soc. 1977, 99, 8127 - 8129. 3 w. d. cornell , p. cieplak , c. i. bayly, i. r. gould, k. m. jr. merz, d. m. ferguson, d. c. spellmeyer, t. fox, j. w. caldwell, p. a. kollman, j. am. chem. soc. 1995, 117, 5179. 4 t. a. halgren, j. comp. chem. 1996, 17, 616. 5 understanding molecular simulation from algorithms to applications. 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本文所研究的甘露糖二糖是由两个甘露糖单糖加上一个苯环构成的，其结构 和原子序号命名方式如图 3.2 所示。只所以把 c1 位置上羟基的氢用苯环代替，是 为了更好的模拟甘露糖二糖在中心五糖中的结构，英国剑桥大学的小组合成的甘 露糖二糖分子结构正是这样的。两个单糖通过 c1位置的羟基分别和 c2、c3、c6 位置的羟基发生去水反应形成相应的（1，2）甘露糖二糖、（1，3）甘露糖 二糖和（1，6）甘露糖二糖。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 20 图 3.2 三种不同连接方式的甘露糖二糖分子的结构式。从上到下分别为（1，2） 甘露糖二糖、（1，3）甘露糖二糖和（1，6）甘露糖二糖。 甘露糖二糖在气相中的结构和光谱研究 21 3.1.2 氢键知识简介 氢键是一种广泛存在于生物和化学体系中的非键相互作用。当氢原子与电负 性很强原子半径很小的原子 x（f、o、n）共价结合时，氢原子的电子云会偏向 x 原子， 使氢原子带有强的正电荷， 这样的氢原子可以和另外一个电负性强的原子 y 形成强烈的吸引作用，这种强烈的吸引作用就是氢键，其形式为 xh y。 氢键键能处于共价键和范德华力之间，较范德华力强，较共价键弱，一般处 于 1040kj/mol 之间。氢键不同于一般的范德华力，它具有饱和性和方向性。由 于氢原子特别小，x 和 y 原子比较大，这样使得 xh y 中的氢原子只能和一 个 y 原子结合形成氢键。同时由于负离子之间的排斥作用，另外一个电负性大的 y原子就难接近氢原子，这就是氢键的饱和性。由于电偶极矩 xh 与原子 y 的 相互作用，只有当 xh y 在同一条直线上时最强。同时，原子 y 一般含