（分析化学专业论文）色谱保留机理探索与研究.pdf

浙江大学理学硬士学位论文 摘要 本文主要研究了若干体系的色谱保留机理。在色谱分离中，物质之所以能够被分 开，是因为各物质具有不同的保留值。因而对于色谱保留行为的研究具有重要意义。 本文提出运用量子化学的计算来研究色谱的保留行为。研究结果表明，量子化学计算 的方法是研究色谱保留行为的有力工具。 本论文做了以下三个方面的工作，共分四章来讨论： 第一章：论述了超分子体系及其弱相互作用力。研究超分子体系的理论和实验方 法。其中研究超分子体系的理论方法主要是采用a bi n i d o 、m p 、d f t 和a m i 等量子 化学计算方法。 此外，还综述了毛细管电泳中毛细管的修饰技术。毛细管修饰可分为物理涂敷和 化学键合。其中化学键舍技术效果好，应用广泛。 第二章：使用量子化学计算来研究醇类在气相色谱固定相上的保留行为。在气相 色谱分离醇类的过程中，醇分子与固定相发生吸附、分配等弱相互作用。我们可以将 相互作用的醇类与固定相看作一个超分子体系进行相关研究。我们采用量子化学中应 用广泛，精确度高，计算时间相对较少的a m i 法对此超分子体系进行优化，优化的 结果可以使我们获得体系总能量、偶极矩、原子电荷及键长、键角等一系列参数。我 们根据计算所得的结果，分析体系各参数与醇类保留值的相关关系。在本章中，我们 总共考察了1 9 种醇在7 种气相色谱固定相上的保留行为。结果发现，体系总能量与 醇类保留指数的相关关系明显。 第三章：制备了新型毛细管柱，并用之分离了有机酸小分子。经过对醇类保留行 为的研究我们认为：如果我们研究的体系具有包舍结构，则更适合用量子化学的方法 来研究。为此，我们设计了毛细管键合固定相与有机酸小分子这样一个超分子体系。 我们制备了s i o s i c 键类型的新型毛细管柱。3 - a p s ( 3 - 氨丙基三甲氧基硅烷) 被用 作偶合剂，l 一氯2 ，4 一二硝基苯为上层的分子层。我们用此毛细管柱分离了甲酸、乙酸、 丙酸和丁酸这四种有机酸，并将分离的结果与空白毛细管柱的分离结果相对照，发现 我们制备的毛细管柱的分离性能优于空白毛细管柱，且此毛细管柱的性能稳定，长期 使用不易脱落。 第四章：通过量子化学计算研究键舍毛细管柱的电泳行为。在我们制备的毛细管 浙江大学理学硕士学位论文 柱中，以 2 一( 氮一2 ，3 一二硝基苯基) 一氨乙基一三甲氧基硅烷，2 - d n p a s 为键合固定相。 我们认为此固定相中的硝基官能团将会对被分离的物质产生作用。而有机酸小分子在 我们选定的缓冲液的p h 值下( p h = 5 5 ) 离解成酸根离子。我们认为硝基与有机酸根 离子存在弱相互作用力，影响了酸根离子的保留行为。因此我们将毛细管键舍相与酸 根离子看作一个超分子体系来研究有机酸小分子的保留行为。针对毛细管电泳的结 果，我们提出了酸根离子与硝基作用的三种可能的方式。经分析研究后，我们认为第 三种模型的可能性最大。随后的量子化学的研究进一步证实了这一点。 2 浙江大学理学硕士学位论文 a b s t r a c t r e t e n t i o nm e c h a n i s m so fs e v e r a ls y s t e m sw e r es t u d i e di nt h i sw o r k i nt h e c h r o m a t o g r a p h i a ，t h es a m p l e sw e r es e p a r a t e db yt h e i r d i f f e r e n tr e t e n t i o n t h e r e f o r e ，i t w a si m p o r t a n tt os t u d yt h e r e t e n t i o nb e h a v i o r so ft h e s es a m p l e s t h ec a l c u l a t i o no f q u a n t u mc h e m i s t r yw a sf i r s t l yu s e d t os t u d yt h er e t e n t i o nb e h a v i o r s t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ec a l c u l a t i o no fq u a n t u mc h e m i s t r yw a sag o o dm e t h o dt o s t u d yt h er e t e n t i o n b e h a v i o ni t san e wm e t h o dt ob eu s e di n t or e s e a r c hc h r o m a t o g r a p h y o u rw o r kw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： f i r s t l y ，t h e r e t e n t i o no fa l c o h o l so nt h eg cs t a t i o n a r y p h a s e s w a ss t u d i e d b y c a l c u l a t i o no f q u a n t u mc h e m i s t r y t h ea l c o h o l sm o l e c u l e s a c t e dw i t ht h es t a t i o n a r yp h a s e s d u r i n gt h ec o u r s eo fs e p a r a t i o na n d t h ea c t i o nw a sv e r yw e a k s ot h ea l c o h o l sm o l e c u l e s a n ds t a t i o n a r yp h a s e sw h i c ha c t e de a c ho t h e rc o u l db el o o k e da ss u p r a m o l e c u l a rs y s t e m s t h er e s e a r c hw a sb a s e do ni t b e i n gap a r a m e t r i cq u a n t u mm e c h a n i c a lm o l e c u l a rm o d e l a m lw a su s e dt os t u d i e dt h es u p r a m o l e c u l a rs y s t e m s t h em e t h o do fa m li s w i d e l y a p p l i c a t i o n ，a c c u r a t e a n d r e q u i r er e l a t i v e l y l e s s c o m p u t i n g t i m e t h es t r u c t u r eo f s u p r a m o l e c u l a rw a so p t i m i z e db y t h em e t h o do f a m l t h e s y s t e mh a d n o to n l yt h el o w e s t e n e r g y ，b u ta l s ot h eb e s te q u i l i b r i u mo fc h a r g ed e n s i t y ，m o l e c u l a ro r b i t a la n ds oo na f t e r c a l c u l a t i o n t h er e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o na v o i du ss o m eu s e f u ld a t ao ft h es y s t e m ，s u c ha s a c c u r a t ec o o r d i n a t e ，t o t a le n e r g y ，c h a r g ed e n s i t yo ft h ea t o m s ，b o n d l e n g t ha n db o n da n g l e b e t w e e na t o m s b a s e do nt h er e s u l t s ，t h e r e l a t i o n s h i p o fr e t e n t i o no fa l c o h o l sa n d p a r a m e t e r sw a ss t u d i e d r e t e n t i o no f1 9k i n d so fa l c o h o l so ng cs m t i o n a r yp h a s e sw e r e s t u d i e da n dt h et o t a le n e r g yo f s u p r a m o l e c u l a rs y s t e ms h o w e dg o o dl i n e a r i t yw i t hr i s e c o n d l y , an e w k i n do fc o a t e dc a p i l l a r yc o l u m nw a sp r o d u c e da n du s e dt os e p a r a t e t h eo r g a n i ca c i d s t h es t a t i o n a r yp h a s eo ft h ec o l u m na n dt h es a m p l e sc o m p r i s e dt h e s u p r a m o l e c u l a rs y s t e m s t h e s es y s t e m sw e r ec o n s i d e r e dm o r es u i t a b l ef o rc a l c u l a t i o no f q u a n t u mc h e m i s t r y t h ec a p i l l a r yc o l u m nw a sc o n n e c t e dw i t hc o a t i n gb yt h eb o n do f s i o s i c 3 - a m i n o p r o p y l t r i m e t h o x y s i l a n e ( 3 一a p s ) w a su s e da st h ec o u p l e r a n dt h e 1 - c h l o r o 。2 ，4 一d i n i t r o a n i l i n ew a sc o n n e c t e dt ot h ec o u p l e r t h i sc o a t i n gc a p i l l a r yc o l u m n w a su s e dt os e p a r a t ef o r m i ca c i d ，a c e t i c a c i d ，p r o p i o n i ca c i d ，b u t y r i ca c i d t h er e s u l to f s e p a r a t i o ni nc o a t i n gc a p i l l a r yc o l u m ni s w e l lt h a nu r u n o d i f i e dc a p i l l a r y t h i sm o d i f i e d c a p i l l a r yc o l u m n s h o w e d h i g hs e p a r a t i n ge f f i c i e n c ya n dg o o ds t a b i l i t y 3 浙江大学理学硕士学位论文 t h i r d l y , t h er e t e n t i o no fc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sw a ss t u d i e db yq u a n t u mc h e m i s t r y c a l c u l a t i o n t h es t a t i o n a r yp h a s ei s 2 - 州一2 ，3 一d i n i t r o p h e n y l ) 一a m i n o e t h y l t r i m e t h o x y s i l a n e ， 2 - d n p a s a n dt h eo r g a n i c a c i d sw a sd i s s o c i a t e da sa c i d i o n si nt h es e l e c t e db u f f e r s o l u t i o n s ( p h 5 5 ) a c c o r d i n g t ot h er e s u l to fc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，t h r e em o d e l so f r e t e n t i o nm e c h a n i s mw e r e e x p o u n d e d t h e t h i r dm o d e lw a sc o n s i d e r e dt h em o s t p r o b a b l em o d e lb ya n a l y s i s i tw a sp r o v e db y t h ec a l c u l a t i o no f q u a n t u mc h e m i s t r y 4 浙江大学理学硕士学位论文 第一章绪 论 一、超分子体系及弱相互作用力 1 9 7 8 年，法国的j mk 1 i l 教授提出超分子化学新理论，而后因在这一领域中的杰 出工作成就于1 9 8 7 年获n o b e l 奖。超分子体系是指由主体分子和客体分子之间通 过非价键的弱相互作用缔舍形成的复杂而有组织的化学体系。就像原子间通过共价键 形成分子一样吐主体通常是富电子的分子，可以作为电子给体，如碱、阴离子、亲 核体等。而客体是缺电子的分子，可以作为电子受体，如酸、阳离子、亲电体等。超 分子体系具有独特的结构、成键特点且具有明确的微观结构( 如蜂窝状、网状、层状、 链状、螺旋状和分子琐等) 和宏观特性( 如优异的光、电、磁、催化、生物活性等功能) 。 研究具有特定结构和功能的超分子体系的化学称为超分子化学。超分子化学和配位化 学同属于授受体化学。超分子体系中主体和客体之间不是经典的配位键，而是分子间 的弱相互作用，大约为共价键的5 - 1 0 ，因此可以认为，超分子化学是配位化学概念 的扩展。八十年代以来，它迅速地与有机化学、生物化学和新型材料科学结合起来， 为生命科学的研究和新技术、新材料的开发开拓了一个崭新的领域。超分子化学研究 的基本任务之一是研究超分子体系分子间弱相互作用力，它涉及到超分子体系的稳定 性和超分子构筑等方面的问题。尽管分子间弱相互作用力和化学键相比很弱。但这种 强、弱作用力的关系犹如“老虎与蚁群的关系”，在不同条件下各显其威。分子问弱相 互作用力可在一定条件下起加和与协同作用，形成有一定方向性和选择性的强作用 力，成为超分子形成、分子识别和分子组装的主要作用力。我们知道，1 0 0 余种元素 组成了i 0 0 0 多万种的化合物，而这些化合物通过分子间的弱相互作用力组成的超分 子化合物的数量是难以想象的。如何从总体效应及协同作用把握弱相互作用力，如何 把握分子间弱相互作用力与分子组合体结构及超分子结构的关系，及弱相互作用力本 质的研究则成为超分子化学急待解决的问题。 1 1 超分子体系的弱相互作用力 超分子体系所具有的独特有序结构正是以其组分分子问非共价键弱相互作用力 5 浙江大学理学硕士学位论文 为基础的。超分子体系分子间的弱相互作用力和化学键之间并没有明显的界限。超分 子体系都是由非键态和配键态组成，既有部分共价键性质，又有部分范德华力的性质。 在非键态占主要地位的超分子体系中，电荷迁移较少，而配键态占主要地位的超分子 体系中，电荷迁移较大。分子问弱相互作用力是指两个或多个分子之问除了离子键、 共价键和金属键之外的其他弱相互作用力，常表现为范德华力【3 】( 包括静电力、诱导力、 色散力和交换力) 、氢键h 、堆砌作用力【5 】( 包括丁r 一丌堆积，n 一丌堆积，阴离子n 作用， 疏水相互作用) 等几种形式。表1 总结了各种弱相互作用力的类型、作用范围、性质。 表1 分子问弱相互作用力分类 注：a 一有加和性，是指满足u 1 2 3 = u 1 2 + u 3 + u 3 l ( u 为作用能) ；n a 一无加和性。 静电力来自永久多极矩之间的相互作用，诱导力来自永久多极矩和诱导多极矩之 间的相互作用，色散力来自瞬闻多极矩之间的相互作用，交换力是一种来自p a u l i 原 理的排斥效应；几种作用力之间还可偶合产生如诱导一色散偶合力，色散一交换偶合力 等。氢键在本质上是静电力，常被认为是一种特殊的范德华力。它常增加超分子的稳 定性，具有方向性和饱和性，在超分子形成和分子识别中具有重要意义。芳环堆砌作 用是指芳环间的重叠作用，给超分子化合物带来相当大的额外稳定性。其影响因素很 复杂，如芳环的大小、芳环匹配性、金属离子、温度、溶剂等。疏水作用是指以金属 离子为桥梁把两个或多个分子键合成具有一定立体结构的超分子，分子的非极性键部 分在合适的空间条件下倾向于聚集在一起形成非极性链的聚集体，这种作用能增加超 分子的稳定性。其强度比芳环堆积弱，稳定性有下列顺序：芳环芳环( 堆积) 芳环一 脂肪链( 疏水) 脂肪链一脂肪链( 疏水) 。影响疏水作用的因素主要有配体分子、金属离 子和溶荆效应。分子问的疏水作用作为研究自然界生物体内疏水作用的一种特殊模 型，对于理解金属离子存在下的生命分子的结构，生物识别过程和自然界发生的选择 6 浙江大学理学硕士学位论文 性过程是非常重要的。对于分子间弱相互作用力的主要形式如范德华力及氢键已有较 多的研究。它们对物质的沸点、溶解度及空间位阻都有影响。其它形式的作用力也相 当普遍的存在于物质之中，并影响着物质的性质，尤其是生物大分子的相互作用，可 以影响生命过程。因此，近年来，对分子间作用力的不断研究，促进了新学科及高新 技术的发展 6 - - t o 。 1 2 选择性分子间力 论及超分子体系中的弱相互作用，关键在于该类体系中起聚集作用的分子间力多 具有一定选择性。事实上，超分子化学就起源于对酶选择性结合底物分子和药物分子 经选择性的结合于生物分子的某些部位，从而攻击病菌( 或病毒) 等的生物化学现象的 研究。氢键是早被熟知且在超分子体系中经常出现的一种选择性分子间力。分子间的 选择性可类比于共价键的方向性，但一个共价键具单一方向，而选择性分子间力随超 分子体系的复杂性不同可分为一维、二维、三维和零维分子选择现象【1 1 l 。金松寿等早 于6 0 年代就提出了具有普遍意义的“选择性分子问力”的概念和“集团结构适应”性理 论，后又系统总结这方面的工作于专著1 2 1 ，他们认为，在较复杂分子中，各共价键的 极性和( 或) 共轭键电子的离域性会使分子的不同部分或不同原子带有一定量的电荷， 同时分予中原子在空间的立体排布会使相近的若干原子构成具有一定特性的原子集 团。不同的此类集团会提供不同形状的空间区域，该区域内具有特定分布方式的静电 场。该特定区域性电场只能选择性的吸收某些( 甚至唯一) 空间结构和电荷特性相适应 的分子、基团、原子集团或较大分子之局部。也就是说电荷和空间的相互适应性是决 定分子问是否会发生选择性相互作用的关键。他们还以大量研究工作的数据资料为基 础，从量子化学计算和波谱学、色谱法实验结果的统一上，肯定了选择性分子问力的 存在，并把这一研究成果应用于有机催化反应等研究中，业已取得可喜成果。l e h n 在文献f 1 3 1 中论述各分子选择过程时也紧紧抓住电荷和空间两大效应。因此，在超分子 化学研究中必然要对选择性分子间力进行探讨。 1 3 超分子体系弱相互作用力的研究方法 早在3 0 年代，对分子间弱相互作用力进行了大量的研究，而在此后很长一段时 间内对它的研究进展缓慢。近年来，随着超分子化学研究的深入，对其分子问弱相互 作用本质的研究引起世界科学界的极大关注。超分子体系的弱相互作用可从理论和实 7 浙江大学理学硕士学位论文 验两方面来开展研究。 1 3 1 理论方法 超分子体系分子间弱相互作用力的理论研究目前常用的方法有量子化学和统计 热力学两种。 1 3 1 1 量子化学方法 在超分子化学研究中，量予化学计算法应该说是一种最确切、最直观但也最复杂 的定量化描述方法。量子化学方法，尤其是高精度量子化学法，可以在电子结构的水 平上准确地研究分子间的相互作用，因而可以期望能从深层次的理论水平上来揭示主 体与客体之间的特殊相互作用。特别在当今的生命科学研究领域，有望揭示基因的遗 传和变异、酶的催化作用、药物的靶标追踪机理等等问题的本质。文献【1 卅中关于若干 基团的静电势能的空间分布的计算、封继康对超分子体系中氢捷的计算都是成功的尝 试。最近h e l g ct o u f a r 等把e l e c t r o n e g t i v e t ye q u a l i z a t i o n m e t h o d 和m o n t ec o r l o s i m u l a t i o n t e c h n i q u e 结合起来对水分子簇、正离予一水分子簇以及水分子一沸石网络 等体系进行了处理1 鄂。其计算结果可对沸石的催化活性及选择性给以理论解释。但总 的来说，一般超分子体系含原子个数多，空间结构复杂，精确计算尚有许多困难。 到t f l 前为止，对几乎所有能用于较大的分子体系( 如超分子体系) 研究的量子化学 方法a bi n i t o 、m p 、d f t 和a m l 等方法而言，其共同特点都是把超分子体系作为一 个整体来考虑，认为电子在超分子轨道中运动，优化的目的是设法寻找到势能面上的 极小点。从这一点来讲，量子化学法一般有如下过程： 首先确定所要研究的超分子体系的分子构成和结构。然后假设超分子体系中各 个分子间的弱相互作用能为e “，且认为： a e i 耳一置 ( 1 ) o j 式中卧为超分子体系的总能量，e f 为子体系的能量。最后由优化计算的结果推算出 体系的相关性质并得出结论。 就目前的超分子体系的研究情况，主要集中于曲i n i t i o 、m p 、d b - t 和a m l 等 方法。这几种方法的精确度已比较好，而其它更精确的方法由于需要的计算机资源十 分庞大，所能实现的研究体系很小，故不作详细论述。 从头算法( a bi i a i t i o ) 的原理是从分子轨道理论基础上发展的，分子理论轨道是一种 广泛应用的分子结构理论。其主要任务是根据原子核和电子相互作用及其运动的基本 s 浙江大学理学硕士学位论文 规律，运用量子力学原理，探求分子的化学组成、结构和性质等化学规律。从头算法 不借助于任何经验参数，计算体系全部的分子积分，近似求解薛定诗方程式。 从头算法理论可以分为两个级别：h a r t r e e f o c k ( h f ) 水平( 轨道近似) 1 6 - - 2 v i 和 p o s t h a r t r e e f o c k 水平( 考虑电子相关) 。前者没有考虑电子相关能，使计算结果与实 际情况产生较大的误差。特别是在早期的研究工作中，为了把计算工作量减少到可接 受的程度，在不同目的计算工作中使用了不同级别的基组，如构型优化所需要的基组 不一定适合用来研究弱相互作用能和振动频率的计算，这就使得研究工作之间不匹 配。在八十年代，由于受计算条件限制，关于弱相互作用的研究主要集中在小分子的 二聚体和三聚体如：( h 2 0 ) 2 、( h 2 0 ) 3 、f l 姐3 ) 2 、( 0 2 、( h f ) 3 等和无机小分子如h 2 0 n h 3 、 - 2 0 珲、n h 3 - - , i - i f 等的弱相互作甩，研究内容包括超分子的构型优化，弱相互作 用的强度和振动光谱等。后者考虑了电子相关能，基函数误差和大小一致性误差，计 算结果较准确。因此，p o s t h a r t r e e f o c k 水平的a bi n i t i o 理论更适合超分子体系的计 算。计算的基本方法如下：e “l - e 抒+ e ”，a e 为超分子体系间的相互作用能。 e h f 为h a r t r e e f o c k 相互作用能，e ”为相关相互作用能。但考虑e c “又大大增 加了机时且对计算机的要求较高。 原则上，对从头算法而言只要合适地选择基函数，自洽迭代的次数足够多，就一 定能得到接近自洽极限的任意精确的解。因此，它在理论上和方法上都是比较严格的。 大大优于半经验的计算方法。后者在简化处理和近似求解薛定谔方程中总要忽略这种 或那种因素，使得最后的计算结果与实验数值发生偏差的原因缺乏可靠的判据，因而 理论价值大大降低。从头算法则避免了这些弊病，迄今被认为是理论上最严格的量子 化学计算方法。但由于目前所研究的超分子体系通常较大( 多在5 0 个原子以上) ，从 头计算法因其计算过程复杂，所需内存过于庞大而通常只能计算4 0 个以下质点的体 系，同时该方法优化得到的超分子体系的几何构型不易稳定，往往随基组的变化而发 生较大改变，因而尚不适舍于较大的超分子体系的性质研究。如何计算相关能、基 急超位误差和基组选择是当前超分子量子化学计算中的主要问题。 m p 方法，亦称对称性匹配的微扰方法。所谓对称性匹配是指在微扰展开中要考 虑波函数的反对称化，也就是考虑了p a u l i 原理或者说包含了交换能。如果充分考虑 电子相关能用包舍单、双，三、四激发的m p 4 方法，可得到较为准确的弱相互作用 能，但增加了计算机的机时和存储空间，且仅能处理一些较小的体系。如小分子复合 体系一稀有气体元素。这种作用力的强度往往要比普通氢键还要一j - 个数量级，因此 9 浙江大学理学硕士学位论文 普通的h f 方法难以准确地研究这些体系。有关这类体系的m p 方法报道很多1 2 9 - - 3 9 1 如 c h a l a s i n s k i 等研究了a r h c l 体系的相互作用( 柏1 ，绝对误差约为0 t 2 5 4 k j m o l 。此外， 人们还用m p 法处理舍氢键的复合体系。r a c i n e 和d a v i d s o n 在1 9 9 3 年对l - i f 二聚体 体系的m p 计算研究作过小结( h f ) 2 体系的弱相互作用能的m p 2 计算结果为 1 8 1 4 1 2 k j m o 4 1 1 而实验测定值为1 8 6 7 2 1 k j t o o l i ”i ，* - j s l 二- 者之间是相当接近的。m p 计算结果表明，相互作用中静电、诱导和色散作用之比为：9 9 ：3 o ：2 5 。s c h e i n e r t 列 和c h a k r a v o r t y 等 删曾对水的二聚体作过综述。水分子与水分子间的相互作用能m p 2 计算结果为1 8 6 4 2 8 1 4 6 3 k j t o o l 左右，而实验估算值为2 2 4 1 0 2 9 2 6 k j m o l 。计算 结果还表明，相互作用中静电、诱导和色散作用之比为1 1 2 ：2 7 ：2 9 ，这表明水的 二聚体的结合特点与i - i f 双聚体的作用特点相似。陶福明等运用m p 2 方法研究了 ( n h 3 ) 2 体系，得到的相互作用能为1 2 2 3 0 7 k j l m o l 4 5 1 ，静电、诱导和色散作用之比为 9 2 ：3 6 ：6 ，2 。表明在氨的二聚体中色散作用明显比氟化氢和水的二聚体中的色散作 用强，故氨的二聚体的相互作用的理论计算需要运用高级剐的基组。总之，m p 法的 准确性随其要考虑的因素增多而得到较好的改善，但增加要考虑的因素同时也势必使 所需的计算空间、内存及运算时问大幅度上扬，和普通的i - i f 方法相比，它所需要的 时间要长得多。m p 方法计算超分子体系的振动频率、熵和热能所需的时间同样也比 普通的i i f 方法多得多，这使其应用受到一定的限制。 近年来，将d f t ( 密度泛函理论) 用于超分子体系闰的相互作用能的研究，克服了 上述两种方法的缺点，为较大体系的量子化学计算提供了可能的途径。d f t 被用来 研究化学和生物化学问题是最近几年的事 4 6 1 。d f t 方法的构型优化和相互作用能计 算的原理与上述方法相同。由于d f t 计算方法的精度与m p 2 相当，计算速度却比 m p 2 快近一个数量级，因此，近年来越来越多的研究者开始运用密度泛函方法来研 究化学和生物化学的问题。 朱维良等运用d f t - b 3 l y p 方法对药物分子石杉碱甲反青蒿素等进行构型、能量 几光谱等性质研究，得到了与实验结果相吻合的结果【4 7 舶1 ，对无机分子复合物和生 物体系中扮演重要角色的氢键等弱相互作用的d f t 计算结果也能很好的解释实验事 实；对生物体系中广泛存在的阴离子一6 相互作用的机理乖能量参数的计算结果也与实 验结果相一致【4 9 1 。 a v i i ( a u s t i nm o d e l1 ) 法也比较适合于相对较大超分子体系的量子化学定量化描 述研究。a m t 法是一种可以用于量子化学计算的半经验自洽场分子轨道方法，由蔓 1 0 浙江大学理学硕士学位论文 国德克萨斯大学化学系的d e w a rm j s 等在改进的n d d o 法( 修正的微分重叠法) 基 础上于1 9 8 5 年提出来的，随后得到了量子化学研究者的重视并被广泛的应用。a m i 法在具体处理上也是把超分子作为一个整体，认为电子在超分子大轨道中运动，超分 子即形成主客体配合物的稳定化能等于络合物的总能量与主客体相互分离时的总能 量之差，方法的目的也是寻找势能面上的极小点，即得到整个体系的最优化空间构型。 该方法对有关积分采取参数化处理，能同时获得较好的几何构型和生成热及电离势 等，且所花的计算机时比从头算法少得多。适于研究十分耗费机时的大分子几何优化 和反应过渡态问题。尤其是最近几年来，国内有很多研究者用a m i 法进行较大分子 体系的量子化学研究，如俞庆森等用a m l 法研究了新型抗癌和抗爱滋病药物竹红菌 素分子溴代作用的影响，并研究了1 3 7 个化舍物的氢键酸度的量子化学参数。李江波 等还用a m l 法研究了取代喹啉酸的定量构效关系。这给我们的工作提供了可以进行 尝试的新领域。 1 3 1 2 热力学方法 在超分子合成中，主体( h ) 和客体( g ) 通过分子间弱相互作用力进行分子识别乖组 装构成k h - f f - ( h g ) h + g = h g 。g s u p ，h 。u p ，a s s i i p 和平衡常数k 。可用热力学的方 法研究过程的状态函数变量。用s c h n e 。i d e 提出的成对作用的自由能线性估算方法进 行超分子自由能变( g ) 的研究，可得到较满意的结果。线性自由能的加和规则对超分 子体系焓变( h ) 的计算比较理想。相比之下，对超分子体系熵变的研究更感兴趣，据 p a g e 和j e n c k s 提出的“锚”原则，认为超分子体系的重要特征之一就是分子间的弱相 互作用是同时作用，可使熵损失降至最低，也正是熵的这种补偿效应使得超分子得以 形成。 l 。3 2 实验方法 实验方法有多种，用谱学方法研究分子问弱相互作用已成为实验研究的主要手 段。红外光谱法，形成了超分子体系时，相互作用部位或基团伸缩振动受到影响，从 而吸收峰频率发生一系列的位移，根据位移可对超分子体系间选择性作用力作半定量 研究；核磁共振法，形成超分子体系时，选择性部位原子的化学环境发生变化，根据 化学位移发生变化的的值可研究超分子体系的弱相互作用；分子散射法，对于简单超 分子体系给出精确的分子间相互作用势函数，根据散色数据可以确定超分子体系的弱 浙江大学理学硕士学位论文 相互作用，但对复杂超分子体系无能为力；x 射线单晶衍射法，则可通过键长及键角 直观的确定超分子体系的弱相互作用力。另外还有色谱法和生成热i 受l i 定法。 如用瓜和x 射线单晶衍射法对超分子【( c h z ) 6 n h 3 7 n h 3 ( c 1 - 1 2 ) 2 n h 3 2 ( h 3 0 ) 6 【p 2 m 0 3 0 23 】4 1 1 h z o 中弱相互作用进行研究。因为n 原子与h z o 或n 原子上的氢与 杂多酸阳离子骨架上的氧形成氢键，使超分子中v n - h ( 3 1 2 5 ( m v ( n h 3 + ) ) ) 伸缩振动向低 波数方向移动。x 射线单晶衍射结果表明该超分子中m o - o m o ( 桥氧) 中的氧与周围质 子化的l ，6 一已二胺、乙二胺和水分子，链与链之间通过n _ h o 或。一h o 相互作用 形成氢键，从而构成具有无限大平面层状结构的超分子。 再如，- - - - ( 2 一笨并咪唑甲基) 胺与稀土形成的超分子化合物，由于苯并咪唑环之间 一r 堆积作用的存在，所以形成稳定的超分子化合物且使荧光寿命增长。n m r 结果 表明：当形成镧系配合物后苯并咪唑环上质子的化学位移向高场移动0 4 一1 o o 。x 射 线单晶衍射结果也表明：苯并味唑环平面之间的夹角和距离说明丌一丁r 堆积作用的存 在。 1 4 结语 分子问通过非共价键的弱相互作用力不仅可形成超分子化合物，而且按照作用力 类型和方式的不同可以为超分子构筑提供理论基础扣实际模型。分子间的弱相互作用 力是形成超分子化合物的基础。分子问弱相互作用力是指两个或多个分子之间除了离 予键、共价键和金属键之外的其他弱相互作用力。超分子体系分子间弱相互作用具有 强的选择性，主要表现为：电子结构选择性、立体结构选择性和取向与最大重叠即轨 道对称选择性，只有轨道对称性匹配，才能形成稳定的超分子体系。 就目前的超分子体系的研究情况，可以从理论和实践两方面入手。理论方法主要 集中于i m t i o 、m p 、d f r 和a m i 等方法。从头算法不借助于任何经验参数。迄今被 认为是理论上最严格的量子化学计算方法。但由于目前所研究的超分子体系通常较大 ( 多在5 0 个原子以上) ，从头计算法园其计算过程复杂，所需内存过于庞大而通常耗 时过多，同时该方法优化得到的超分子体系的几何构型不易稳定。 m p 法的准确性随其要考虑的因素增多而得到较好的改善，但增加要考虑的因素 同时也势必使所需的计算空间、内存及运算时间大幅度上扬。这使其应用受到一定的 限制。 d f r ( 密度泛函理论) 用于超分子体系问的相互作用能的研究，为较大体系的量子 1 2 浙江太学理学硕士学位论史 化学计算提供了可能的途径。d f t 方法的构型优化和相互作用能计算的原理与上述 方法相同。由于d f t 计算方法的精度与m p 2 相当，计算速度却比m p 2 快近一个数 量级，因此，近年来越来越多的研究者开始运用密度泛函方法来研究化学和生物化学 的问题。 a m i ( a u s t i nm o d e l1 ) 法也比较适合于相对较大超分子体系的量子化学定量化描 述研究。a m i 法是一种可以用于量子化学计算的半经验自洽场分子轨道方法。它因 计算精度高，计算时间相对较少而被广泛应用于超分子体系的研究中。 我们相信，随着对超分子体系研究的深入，量子化学计算将被极广泛的运用于此 领域中，从而解决更多的问题。 二、毛细管电泳分析法的特点及毛细管柱的修饰 高效毛细管电；- g ( h i g hp e r f o r m a n c ec a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，h p c e ) 是离子或荷 电粒子以电场为驱动力、以毛细管为分离通道并在其中按其淌度或和分配系数不同 而进行高兹、快速分离的一种液相分离技术。它是经典电泳技术与现代微柱分离技术 相结合的产物。毛细管电泳的起源虽可追溯到1 9 6 0 年乃至更远，但其迅速发展则是 在二十靠g j x 十年代后期。它的出现是分析科学中继高效液相色谱之后的又一重大进 展，使分析科学从微升级水平进入了纳升级水平。关于毛细管电泳的工作原理可参见 专著高效毛细管电泳 5 0 】、毛细管电泳技术及应用 5 1 1 ，一些实验方法和重要参 数可参见( ( t h eh a n d b o o ko f c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ) ) 5 2 1 其应用也可从众多的文献 中查阅。 c z e 是瑞典科学家h j e r t e n 首先提出的。但传统的毛细管电泳只能分离荷电粒 子，随着毛细管电泳技术的发展，1 9 8 3 年h j e n e n 首先将填充有聚丙烯酰胺凝胶的毛 细管用于c e 分离，发展起毛细管凝胶电泳( c a p p i t a r y g e l e l e c t r o p h o r e s i s ，c g e ) 。1 9 8 4 年t e r a d e 等在c e 的电解质溶液中加入离子型表面活性荆，实现了中性粒子的分离， 发展起了胶束电动色谱( m i c e h a re l e c t r o k i n e t i cc h r o m a t o g r a p h y , m e k c ) ，目前m e k c 已是应用非常广泛的电泳模式之一。次年，h j e n e n 叉将等电聚焦方法引a - l 细管电 泳，使毛细管等电聚焦( c a p i l l a r yi s o e | e c t r i cf o c u s i n g ，c i e f ) 技术成为蛋白质分离中的 强有力的工具。1 9 8 7 年，他将常规等速电泳与毛细管相结合，成功分离了几种染料。 发展了毛细管等速电泳( c a p i l l a r yi s o t a c h o p h o r e s i s ，c r r p ) 。时至今日，毛细管电泳技 浙旺大学理学硕士学位论文 术已是分析科学中的重要一环。 因为毛细管电泳的分离过程是在毛细管内完成的，故毛细管柱是毛细管电泳的 核心部件。上述毛细管电泳所用的主要是直径2 5 1 0 0 微米、长3 0 一8 0 厘米的石英玻璃 管拄，其内表面因电离产生裸露的硅醇基，有一定的吸附作用，常常使流出峰出现拖 尾，分离度不理想，吸附严重时甚至测不出信号，作一般分析应用时问题不算太大。 但随着科技的发展，分析对象的变化和测试要求的提高，有必要对毛细管柱的内表面 给予更多的关注。由于毛细管涂层技术在一定程度上可缓减石英柱内壁硅醇基的影响， 所以也就有了许多柱改性的报道。同时，如果键舍的那一层涂层其分子具有一定的功 能，使涂层如同色谱固定相一样参与分离，会使分离效果更好。到目前为止，柱改性 研究正方兴未艾。 毛细管涂层技术主要是指采用物理涂敷或化学键合以及交联等方法，在毛细管 内壁形成单分子层或多层涂层的方法，通过涂层可阻止毛细管壁与被分离物质的相互 作用，以期减少吸附引起的各秸不良影响。涂层柱因其剁备方法的不同主要分为两类： ( 1 ) 物理吸附型毛细管柱一一在毛细管内注入经选择的恰当溶液，待溶剂均匀挥 发后便在管内壁表面以物理吸附的形式涂敷了一层化合物，此化合物起到阻止管壁与 物质相互作用的目的。 ( 2 ) 4 e 学键舍型毛细管柱一一采用化学键舍的方法对毛细管内壁进行修饰，使管 壁性质发生明显变化，从而起到良好的抑制毛细管壁吸附的作用。化学键舍方式有两 种类型s i o s i c 型和s 卜c 。前一种键舍方式往往采用硅烷化试剂作偶合剂， 因其键合条件相对较易，稳定性好而在目前使用最多。后一种方法通过格氏反应方法， 生成的s j c 键稳定且极难水解，使用效果也好，但是其反应条件苛刻，要求无水无 氧操作。 1 1 物理吸附涂层 t o w n s 和r e g n i e s 3 l 毛细管内壁涂敷一层聚乙烯亚胺，该涂层通过亚胺离子所带的 正电荷与毛细管壁上的负电荷相互作用使涂层吸附在毛细管壁上。然后将三乙胺和双 缩水甘油醚基乙二醇的混合溶液注入毛细管中与涂层进行交联反应。经这样处理的涂 层在一定的酸度范围内带正电，因此在p h 2 1 2 的酸度范围内电渗流随溶液d h 值的 增大而减小，甚至出现电渗流的反转。该涂层较厚，约3 0 埃，作者认为采用如此厚 的涂层柱是为了能充分遮盖硅醇基，避免蛋白质的吸附。他采用p h 7 的1 0 0 m m o l l 磷 1 4 浙江大学理学硕士学位论文 酸盐缓冲溶液，依靠反转的电渗流同时分离了6 种酸性和碱性蛋白质，但是作者对分 离柱效、分离和柱的重现性未做报道。b e n t r o p 等【5 4 】采用的方法也比较独特，他们将 预先涂敷于毛细管壁上的谷胺酸甲酯n 一羧酸酐通过热交联的方法使其在毛细管壁上 形成一层谷胺酸甲酯的交联聚合物涂层，但是结果并不理想。g i l g e s 等 5 习采用动态涂 柱法在毛细管壁涂敷一层聚乙烯醇，然后加热使其固化在毛细管壁上，由于经热处理 过的聚乙烯醇发生晶形变化后，难溶于水，所以该涂层柱在p h 3 一t 0 的范围内都能保 持稳定，并且能使电渗流降至很低。在p h 3 时，对5 种碱性蛋白质进行分离，分离 柱效可达(