（凝聚态物理专业论文）dna分子损伤的密度泛函理论研究.pdf

东大学硕士# 位论文 摘要 电离辐射可能导致基因突变、癌变、衰老等严重后果。从分予水平来看，电 离辐射对生物体的损伤主要是由于电离辐射引起了生物细胞内d n a 分子的损 伤。辐射损伤分为两种：直接损伤和间接损伤。直接损伤是d n a 直接吸收射线 能量而造成的损伤，间接损伤是指d n a 周围其他分予( 主要是水分予) 吸收射 线能量产生具有很高反应活性的自由基：o h ，h 和e 。等中间物攻击d n a 造 成的损伤。对于游离的碱基，嘧啶一般比嘌呤具有更高的辐射敏感性。自由基与 碱基发生反应后形成自由基会引起碱基对能量及结构上变化，这种变化可能会导 致d n a 链的断裂，从而造成基因损伤而丢失遗传信息。 本论文第一章介绍了我们进行研究工作的理论基础：第二章介绍了蛋白质和 核酸的结构与功能；第三章和第四章详细介绍了作者本人在攻读硕士学位期间所 作的研究工作。主要内容和结论如下： 1 密度泛函计算表明：在h 攻击胞嘧啶生成的三种产物中，n 3 h 咱由基的 能量最小，所以从能量角度来看，h 原予加合到n 3 位置的反应要优先于加合到 c 5 和c 6 位置。c 5 h 的能量略低于c 6 h 的能量，而且形成前者的反应势垒要比后 者低约2k c a l m o l ，所以，与h 原予加合到c ，位置的反应相比较，加合到c 6 位 置的反应几率要小。总之，h 原予加合到n ，位置的反应最容易发生，其次是c 5 位置，然后是c 。位置。这个顺序与胞嘧啶中三个加合原予周围的电予密度大小 顺序相一致。 2 密度泛函计算得出结论：h 自由基加合到胸腺嘧啶c 5 和c 6 位置的反应 需要分别克服一个值为2 2 0k c a l m o l 和1 6 1k c a l m o l 的能量势垒，而且产物 c 6 h 的能量比c 5 h 的能量低，结构更稳定。所以，从热力学和反应的动力学两 个方面来看，h 自由基加合到c 6 位置的反应都要优先于加合到c 5 位置的反应。h 自由基攻击胸腺嘧啶c 5 上甲基的脱氢反应必须克服一个约3 7 0 k c a l m o l 的能垒， 所以反应几率最小。 3 运用密度泛函方法研究了通过o h 自由基加合到a - t 碱基对中的a 或t 上 形成的五个碱基对自由基。计算表明：o h 自由基加合到a 中的c 4 ，c 5 和c 8 位置后形成的三个碱基对自由基，其氢键分解能分别为1 3 6k c a l m o l ，1 4 2 东大学硕士学位论文 k c a l m o l ，1 3 1k c a l m o l ，这三个自由基的氢键分解能都比a t 碱綦对的氢键分 解能大，而o h 自由基加合到t 中的c 5 和c 6 位置所形成的两个碱基对自由基的 氢键分解能都比a t 碱基对的氢键分解能小，其值分别为1 2 4k c a l m o l 和11 9 k c a l m o l 。由此看来，o h 自由基加合到t 上形成自由基使其更容易分解成胸腺 嘧啶分予和相应的自由基，更容易对d n a 造成进一步的损伤，可能会导致链的 断裂甚至遗传信息丢失。a i m 分析结果也证实了这种变化。考虑水环境对氢键 的影响后，计算结果显示，氢键分解能比理想情况下减小了很多，水环境对氢键 的影响很大，碱基对自由基在水环境中更容易受到电离辐射作用而造成d n a 损 伤。 4 运用密度泛函方法，对o h 自由基加合到鸟嘌呤g 和胞嘧啶c 上形成的各 种g c 碱基对自由基进行了结构优化，并将各种自由基的氢键分解能进行了比 较。计算结果显示，o h 自由基加合到鸟嘌呤和胞嘧啶上形成的自由基中，除了 加合到乌嘌呤中c 8 原予形成的自由基外，氢键分解能都比g c 碱基对的氢键分 解能小，都不如g c 碱基对稳定。a i m 分析结果也证实了这种变化。由此看来， 大部分的o h 加合g c 碱基对自由基相对中性碱基对而言，都更容易分裂成鸟 嘌呤或胞嘧啶分予以及相应的碱基自由基，更容易对d n a 造成进一步的损伤。 考虑水环境的影响后，计算结果显示，氢键分解能比理想情况下小得多，水环境 对氢键的影响很大。 关键词：电离辐射：d n a 损伤；d f t 计算；h 自由基；o h 自由基；碱基对： 氢键。 东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i o n i z i n gr a d i a t i o nc a nr e s u l ti nd r a s t i ce f f e c t ss u c ha sm u t a g e n e s i s ，c a r c i n o g e n e s i s a n dp o s s i b l yi na g i n g o nam o l e c u l a rl e v e lt h e s ee f f e c t st ot h eo r g a n i s ma r ec a u s e d m a i n l yb yt h ed a m a g ei n d u c e db yt h ei o n i z i n gr a d i a t i o nt ot h ed n a o f t h el i v i n gc e l l d n a d a m a g ec a nb es e p a r a t e di n t ot w ot y p e s ，i e ，t h ed i r e c td a m a g ea n dt h ei n d i r e c t d a m a g e d u r i n gt h ed i r e c td a m a g e ，t h ed n a i t s e l fa b s o r b sr a d i a t i o ne n e r g ya n d y i e l d s e l e c t r o n i c a l l ys p e c i e s ，r a d i c a li o n sa n dt h e i rd i r e c tf r a g m e n t a t i o np r o d u c t s o nt h e o t h e rh a n d ，t h ei n d i r e c td a m a g e ，w h e r et h ee n e r g yi sa b s o r b e db ys m a l ls u r r o u n d i n g m o l e c u l e s ，p r i m a r i l yw a t e r , l e a d st ot h ef o r m a t i o no fr e a c t i v ei n t e r m e d i a t e s ，s u c h a s + o h ，ha n de 。a q ，w h i c hc a na r a c kt h ed n a 。o ha n d ha r et h em a i ns p e c i e s ， w h i c hc a nr e a c tw i t hd n ab a s e s f o rt h ed i s s o c i a t i v eb a s e s ，t h ep y r i m i d i n ei s c o m m o n l ym o r es e n s i t i v et oi o n z i n gr a d i a t i o nt h a nt h ep u r i n e t h ef o r m a t i o no f r a d i c a l si n d u c e db yt h er e a c t i o n so ft h er a d i c a l sa n dt h eb a s e sc a nb r i n ga b o u t s i g n i f i c a n tc h a n g e si nt h eg e o m e t r yo ft h eb a s ep a i rt h a tc a nl e a dt os t r a n db r e a k a g e a n dt h e r e f o r el o s so fg e n e t i ci n f o r m a t i o n t h ef i r s tc h a p t e ro f t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a lf u n d a m e n t a l si h a tw e u s e di no u rr e s e a r c hw o r k t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t h ep r o t e i na n dt h en u c l e i ca c i d c h a p t e r st h r e ea n df o u rd e s c r i b ei nd e t a i lt h ew o r k d o n ed u r i n gm ym a s t e rd e g r e es t u d i e s t h em a i nc o n t e n ta n dt h er e s u l t si n t h i s d i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l i o w s ： i d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a ta m o n gt h et h r e ep r o d u c tr a d i c a l sg e n e r a t e db y h a t t a c k i n gt h ec y t o s i n e ，t h ee n e r g yo ft h en 3 h - r a d i c a li st h el o w e s to n ea n dt h u sw e c o n c l u d et h a tt h e ha d d i t i o nt on 3s i t eo fc y t o s i n ei s e n e r g e t i c a l l ym o r ef a v o r a b l e t h a na d d i t i o nt oc 5o rc 6 t h ee n e r g yo fc s h r a d i c a li s s l i g h t l yl o w e rt h a nt h a to f c 6 h 。，a n dt h ee n e r g yb a r r i e ro ff o r m a t i o nf o rt h ef o r m e ri sa l s ol o w e rt h a nt h a tf o rt h e l a t t e rb ya b o u t2 k c a l m 0 1 t h e r e f o r e i nc o m p a r i s o nw i t ht h eha t o ma d d i t i o nt oc 5 s i t eo fc y t o s i n e ，t h er e a c t i o no f ha d d i t i o nt oc 6h a sl e s sp r o b a b i l i t y i ng e n e r a l t h e a d d i t i o no fha t o mt on 3s i t ei st h em o s tf a v o r a b l eo n e ，f o l l o w e db yt h a tt oc 5s i t e ， 3 山东大学硕十学位论文 a n dt h e nt oc 6s i t e t h i so r d e rc o i n c i d e sw i t ht h el o c a le l e c t r o nd e n s i t ya r o u n dt h e a d d u c t i o ns i t e s 2 d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h et w oa d d i t i o nr e a c t i o n so ft h e ha t t a c k i n gt h e c 5a n dc 6s i t e so f t h y m i n eh a v ea ne n e r g yb a r r i e ro f 2 2 0 k c a l m o la n d1 6 1 k c a l m o l ， r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h ee n e r g yo f t h ep r o d u c t i o nr a d i c a lc 6 h 。i sl o w e rt h a nt h a to f c s h b o t hf r o mt h ep o i n to fv i e wo fe n e r g e t i c sa n dr e a c t i o nk i n e t i c s ，t h ea d d i t i o no f t h e ht oc 6s i t ei sp r e f e r r e dt ot h ea d d i t i o nt ot h ec ss i t e t h er e a c t i o no ft h e h r a d i c a la b s t r a c t i n gah y d r o g e nf r o mt h ec sm e t h y lg r o u po ft h et h y m i n eh a st o o v e r c o m ea ne n e r g yb a r r i e ro f 3 7 0 k c a l m o l ，a n dt h u si sl e s sl i k e l yt oo c c u r 3 t h e s ef i v er a d i c a l sg e n e r a t e db y o hr a d i c a la d d u c t i o nr e a c t i o n sw i t ht h e a d e n i n ea n dt h y m i n eo ft h ea tb a s ep a i rw e r es t u d i e db yu s i n gd f tc a l c u l a t i o n s d f tc a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h eh y d r o g e nb o n dd i s s o c i a t i o ne n e r g i e so f t h er a d i c a l s g e n e r a t e db y 。o hr e a c t i o nw i t ha d e n i n ea tc 4 ，c sa n dc ss i t e sa r e1 3 6k c a l m o l ，1 4 2 k c a l m o l ，1 3 1k c a l m o l ，r e s p e c t i v e l y , a l lo fw h i c ha r eh i g h e rt h a nt h a to fa tb a s e p a i r i n t e r e s t i n g l y , t h eh y d r o g e nb o n dd i s s o c i a t i o ne n e r g i e so ft h eo t h e rt w or a d i c a l s a r eb o t hl o w e rt h a nt h a to f t h ea - tb a s ep a i r t h e s et w or a d i c a l sa r eg e n e r a t e db y o h a d d i t i o nt ot h y m i n ec 5a n dc 6a t o m s ，w h o s ed i s s o c i a t i o ne n e r g i e sa r e12 4k c a l m o l a n d1i 9k c a l m o l ，r e s p e c t i v e l y f r o mt h i sp o i n t ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h eb a s ep a i r r a d i c a l sg e n e r a t e db y o ha d d u c t i o nr e a c t i o nw i t ht h y m i n ea r ee a s i e rt od i s s o c i a t e i n t ot h ei s o l a t e dt h y m i n em o l e c u l ep l u st h ec o r r e s p o n d i n gr a d i c a l s ，w h i c hm a yl e a dt o f u r t h e rd a m a g et od n a ，s u c ha ss t r a n db r e a k a g ea n dt h e r e f o r el o s so fg e n e t i c i n f o r m a t i o n t h eo u t c o m e so fa i ma n a l y s i sa l s oc o n f i r mt h i s t h ew a t e rh a sg r e a t i n f l u e n c eo nh y d r o g e nb o n da n dt h ed i s s o c i a t i o ne n e r g i e sa r em u c hl e s st h a nt h a ti n t h ev a c u u ma n dt h u st h er a d i c a l si nt h ew a t e rc a nb ed a m a g e dm u c hm o r ee a s i l yb y i o n i z i n gr a d i a t i o n 4 b yu s i n gd f tc a l c u l a t i o n s ，w eh a v ep e r f o r m e dg e o m e t r yo p t i m i z a t i o no n v a r i o u sg c b a s ep a i rr a d i c a l sg e n e r a t e db y o hr a d i c a la d d i t i o nt og u a n i n ea n d c y t o s i n e ，a n dt h eh y d r o g e nb o n dd i s s o c i a t i o ne n e r g i e so ft h ev a r i o u sb a s ep a i r d e r i v a t i v e sh a v e b e e nc o m p a r e d t h ec a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h eh y d r o g e nb o n d d i s s o c i a t i o ne n e r g i e so ft h er a d i c a l sg e n e r a t e db y o ha d d i t i o nt og u a n i n ea n d 4 i i i 东大学硕十学位论文 c y t o s i n ea r el o w e rt h a nt h a to f t h en e u t r a lg cb a s ep a i re x c e p tf o rt h a to n eg e n e r a t e d b y o ha d d i t i o nt oc 8a t o mo fg u a n i n e t h eo u t c o m e so fa i ma n a l y s i sa l s oc o n f i r m t h i s f r o mt h i sp o i n t ，w ec a nc o n c l u d et h a tm o s th y d r o x y l a t e dg cb a s ep a i rr a d i c a l s a r em o r ee a s i l yt od i s s o c i a t ei n t ot h ei s o l a t e dg u a n i n eo rc y t o s i n em o l e c u l e sp l u st h e c o r r e s p o n d i n gr a d i c a l s ，w h i c hm a yl e a d t of u r t h e rd a m a g et od n a w h e nt h e i n f l u e n c eo ft h ee n v i r o n m e n ti st a k e ni n t oa c c o u n t ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew a t e r i n f l u e n c e st h eh y d r o g e nb o n dg r e a t l ya n dt h eh y d r o g e nb o n dd i s s o c i a t i o ne n e r g i e sa r c m u c hl c s st h a nt h a tj nt h ev a c u u m k e yw o r d s ：i o n i z i n gr a d i a t i o n ；d n ad a m a g e ；d f tc a l c u l a t i o n ；hr a d i c a l ；o h r a d i c a l ；b a s ep a i r ；h y d r o g e nb o n d 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主垒! ! ! 鱼 日期：2 0 0 譬知 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：函随导师签名：猕 期：蛆一 东大学硕+ 学位论文 前言 1 背景 d n a 分予的结构发生异常改变，这一过程称为d n a 损伤。环境中许多化学、 物理及生物因素都可引起d n a 结构上发生某些变化。在自然界中，基因的突变 是物种进化的起点。但是，遗传病、肿瘤以及有遗传倾向的疾病，一般认为是由 d n a 损伤引起的。电离辐射是引起d n a 损伤的重要原因之一。电离辐射可导致 碱基变化，如碱基环的破坏、碱基脱落、碱基替代和错配等：d n a 单链和双链 的断裂：d n a 链交联和d n a 蛋白质交联等 1 3 。电离辐射对d n a 分予损伤方 式一般分为两种：即直接损伤和间接损伤【4 】。所渭直接损伤是指d n a 直接吸收 射线能量而造成的损伤，( 反应1 ) ；电离辐射作用于d n a 分子周围的介质( 主 要是水) 生成水的辐解自由基( 反应2 ) ，这些自由基再攻击d n a 分子，生成 d n a 分子自由基( 反应3 - 9 ) ，这类损伤称为间接损伤。 d n a 塑垒塑堑、d n a + - t - e 2 0 上塑堑- o h ，e l ，h ，h + ，h 2 0 2 ，h 2 ( 2 ) o h + d n a _ 删( + d h ) ( 3 ) o h + d n aj d n a ( - ) - + 胁d ( 4 ) p 二+ d n a 一( d n a ) 一 ( 5 ) d n a 一+ 胁。一d n a ( + h ) + o 片。 ( 6 ) h + d n a 。d n a ( + h ) ( 7 ) d n a + + 胁d d n a ( + o h ) + 圩+ ( 8 ) d n a + d n a ( - h ) + + ( 9 ) 水的辐解自由基可以通过各种途径与d n a 分子发生反应。o h 自由基和h 原子可以加合到d n a 碱基上，生成大量不同的o h 和h - 力n 合自由基( 反应3 和7 ) ，表示为d n a ( + o h ) 和d n a ( + h ) 。o h 自由基还可以攻击d n a 的脱氧核 l 东大学硕十学位论文 糖，使其发生脱氢反应( 反应4 ) ，生成五个不同的脱氧自由基d n a ( 一1 4 ) 。d n a 分予由于电离辐射的直接或间接作用生成的自由基，随后会发生一系列反应。 嘌呤碱和嘧啶碱是d n a 的基本组成部分。对于嘌呤碱和嘧啶碱造成损伤的 原因已引起了科学领域广泛的关注，实验和理论上都针对这一重要课题作了大量 研究，旨在认识对d n a 造成损伤的化学反应过程【5 】。碱基对之间的氢键是保持 d n a 双螺旋结构稳定性的主要作用力，提供了信息传递的主要特征【6 】，所以当 中性的碱基对受到辐射作用形成自由基后势必会对它们之间的氢键造成影响，可 能引起碱基对结构甚至整个d n a 链形状的变化。碱基对任何结构上的重大变化 都有可能导致链的断裂、碱基对的错配以及突变【7 】。当o h 自由基攻击d n a 碱 基并与其发生加合反应后，形成自由基会引起碱基对能量及结构上的变化，这种 变化可能会导致d n a 链的断裂，从而造成基因损伤而丢失遗传信息【4 ，8 】。 d n a 的损伤必须得到修复。d n a 修复是细胞对d n a 受损伤后的一种反应， 生物在进化过程中获得的d n a 修复功能，对生物的生存和维持遗传的稳定性是 至关重要的。对有些d n a 的损伤，细胞能将其完全修复到原样，能重新执行它 原来的功能：但有时并非能完全消除d n a 的损伤，只是使细胞能够耐受这种 d n a 的损伤而能继续生存。未能完全修复而存留下来的损伤在适合的条件下可 能显示出来( 如细胞的癌变等) ，但如果细胞不具备修复功能，就无法对付经常发 生的d n a 损伤事件，就不能生存。对不同的d n a 损伤，细胞可以有不同的修 复反应。修复机制【9 】包括光修复、切除修复、重组修复和s o s 修复等。 鉴于电离辐射对生物体的损伤作用，很多研究组致力于研究电离辐射对 d n a 分子的损伤机制。实验上运用了产物分析、电予自旋共振、脉冲辐解、电 子顺磁共振联合自旋捕捉等各种技术 1 0 - 1 7 】，研究了电离辐射对d n a 分子的直 接和间接损伤，对研究辐射治疗，辐射对健康、衰老的影响具有深远的意义。但 是仍有很多精确的反应机制尚没有完全明了。除了实验，理论计算也是研究工作 的重要手段。量子化学从头计算等方法是分子模拟的重要手段。 有关电离辐射导致d n a 损伤机制的量化计算研究涉及很多方面，如辐射产 生的碱基自由基的结构和能量【1 8 - 1 9 】，碱基自由基的电离势和电子亲和能 2 0 - 2 1 】，自由基反应过程的模拟 2 2 2 3 ，碱基对的氢键强度 2 4 2 5 ，碱基对的热 力学性质 2 6 1 ，碱基对自由基的结构、能量和光谱 2 7 3 0 1 等等。这些研究很好地 i i 东大学硕士学位论文 预测和解释了一些实验现象和数据。 2 论文结构 本论文分为两部分： 第一部分包括第一章和第二章，其中第一章介绍了从头计算的基本原理和密 度泛函理论：第二章介绍了蛋白质和核酸的结构与功能，以及d n a 分子的损伤 和修复机制。 第二部分详细介绍了本人研究生阶段所做的主要研究工作。第三章用密度泛 函理论研究了h 自由基与胞嘧啶和胸腺嘧啶的反应，分析了h 自由基攻击不同 的目标原子的相对几率大小。第四章运用密度泛函方法研究了通过o h 自由基加 合到a t 碱基对中的a 或t 上以及g c 碱基对中的g 或c 上形成的碱基对自 由基。自由基的形成影响了碱基对之间的氢键，碱基对的结构和能量都发生了变 化。我们计算了形成的各种不同的碱基对自由基氢键的分解能，分析了相对中性 的碱基对，自由基的形成对它们的能量稳定性的影响。 所有的量予化学计算都是用g a u s s i a n0 3 程序【3 l 】完成的。 “】东大学硕士学位论文 参考文献 1 c v o ns o n n t a g ，t h ec h e m i c a lb a s i so fr a d i a t i o nb i o l o g y , ( t a y l o r & f r a n c i s ， l o n d o n ，l9 8 7 ) 2 e h u t c h i n s o n ，c h e m i c a lc h a n g e si nd n ai n d u c e db yi o n i z i n gr a d i a t i o n ，p r o g r n u c l e i ca c i dr e s m 0 1 b i 0 1 3 2 ( i9 8 5 ) 1 l5 3 n i c h o l a se g e a c i n t o va n dc h a r l e s e s w e n b e r g ，p h y s i c a la n d c h e m i c a l m e c h a n i s m si nm o l e c u l a rr a d i a t i o nb i o l o g y , n a g l a s sa n dm n v a r m a , n e w y o r k ，1 9 9 1 ) ，4 5 3 4 c y o ns o n n t a g ，t h ec h e m i s t r yo ff r e e r a d i c a l m e d i a t e dd n a d a m a g e ，p h y s i c a l a n dc h e m i c a lm e c h a n i s m si nm o l e c u l a rr a d i a t i o nb i o l o g y , f 、a g l a s sa n d m n v a r m a ，n e w y o r k ，1 9 9 1 ) ，2 8 7 5 c o l l i n s ，gp ，s c i a m 2 8 9 ( 3 ) ，( 2 0 0 3 ) ，2 6 6 p a v e lh o b z a , j s ；p o n e r , c h e m i c a lp h y s i c sl e t t e r s2 6 1 ( 1 9 9 6 ) ，3 7 9 7 p a r t h ap r a t i mb e t aa n dh e n r yes c h a e f e r , p n a sl0 2 ( 2 0 0 5 ) ，6 6 9 8 8 j e a nc a d e t ，t h i e r r yd e l a t o u r , t d o u k i ，d g a s p a r u t t o ，j ep o u g e t ，j l r a v a n a t ， s s a u v a i g o ，m u t a t i o nr e s e a r c h4 2 4 ( 1 9 9 9 ) 9 9 闰隆飞、张玉麟，分子生物学，中国农业大学出版社( 1 9 9 7 ) 。 1 0 a p b r e e na n dj a m u r p h y f r e er a d i c a lb i 0 1 m e d 1 8 ( 1 9 9 5 ) 1 0 3 3 1 1 j r w a g n e r ，j e v a nl i e r ，m b e r g e r a n dj c a d e t ，j a m c h e m s o c 1 1 6 ( 1 9 9 4 ) 2 2 3 5 1 2 w a b e r n h a r d ，a d v r a d i a t b i o 9 ( 1 9 8 1 ) 1 9 9 1 3 s s t e e n k e n ，c h e m r e v 8 9 ( 1 9 8 9 ) 5 0 3 1 4 s f u j i t aa n ds s t e e n k e n ，j a m c h e m s o c 10 3 ( 19 81 ) 2 5 4 0 1 5 s vj o v a n o v i ca n dm gs i m i c ，j a m c h e m s o c ，1 0 8 ( 1 9 8 6 ) 5 9 6 8 1 6 m j d a v e i s ，b c g i l b e r t ，c h a z l e w o o da n dn p p o l a c k ，j c h e m s o c p e r k i nt r a n s 2 ( 1 9 9 5 ) l3 1 7 h c a t t e r a l l ，m j d a v i e s ，b c g i l b e r ta n dn p p o l a c k ，j c h e m s o c ，p e r k i n t r a n s 2 ( 19 9 3 ) 2 0 3 9 1 8 p k a k k a ra n dr g a r g j m 0 1 s t r u c t ：t h e o c h e m6 2 0 ( 2 0 0 3 ) 13 9 4 【l 东大学硕十学位论文 1 9 y h u a n ga n dh k e n t f f t m a a ，j a m c h e m s o c 1 2 5 ( 2 0 0 3 ) 9 8 7 8 2 0 a n n y o d i l e ，c o l s o n ，m d s e v i l l a ，j p h y s c h e m 9 9 ( 19 9 5 ) 13 0 3 3 2 1 s d w e t m o r e ，f h i m o ，r j b o y d ，l a e r i k s s o n ，j p h y s c h e m b1 0 2 ( 1 9 9 8 1 7 4 8 4 2 2 c j m u n d y ，m e c o l v i n ，a a q u o n g ，j p h y s c h e m a10 6 ( 2 0 0 2 ) 1 0 0 6 3 2 3 1 r w u ，c j m u n dy m e c o l v i n ，r c a r , j p h y s c h e m a10 8 ( 2 0 0 4 ) 2 9 2 2 2 4 i r g o u l d ，pa k o l l m a n ，j a m c h e m s o c i16 ( 19 9 4 ) 2 4 9 3 2 5 c fg u e r r a , em b i c k e l h a u p t ，j gs n i j d e r s ，e j b a e r e n d s ，j a m c h e m s o c 1 2 2 ( 2 0 0 0 ) 4 i1 7 2 6 p h o b z a j g p o n e r , c h e m p h y s l e t t 2 61 ( 19 9 6 ) 3 7 9 2 7 a k u m a r , m k n a p p m o h a m m a d y , p c m i s h r a ，s s u h a i ，j c o m p u t c h e m 2 5 ( 2 0 0 4 ) 10 4 7 2 8 j s p o n e r , j l e s z c z y n s k i ，p h o b z a ，j p h y s c h e m 1 0 0 ( 1 9 9 6 ) 1 9 6 5 2 9 n a r i c h a r d s o n ，s s w e s o l o w s k i ，h f s c h a e f e r , j p h y s c h e m b10 7 ( 2 0 0 3 1 8 4 8 3 0 v h r o u d a ，j f l o r i a n ，p h o b z a , j p h y s c h e m 9 7 ( 19 9 3 ) 15 4 2 3i m j f r i s c he t a 1 ，g a u s s i a n0 3 ，r e v i s i o nb 0 3 ( g a u s s i a n ，l n c ，p i t t s b u r g hp a ， 2 0 0 3 ) 5 t l i 东大学硕士学位论文 第一章从头计算方法的基本理论 从头计算方法( a bi n i t i o ) 以三个基本假设，即非相对论近似、 b o r n o p p e n h e i m e r 近似和轨道近似为出发点，不借助任何经验参数，严格求解 s c h r ) d i n g e r 方程，从而获取系统的电予密度、能量等有关数据。从头算方法可 以在分子、原予和电子水平上对体系进行精细的理论研究。 1 1 从头计算的基本原理【1 - 3 l 1 薛定谔( s c h r f i d i n g e r ) 方程及三个基本近似 微观粒予的运动图像不能用经典图像描述。根据量子力学基本假定，按照 微观粒予的运动规律，把力学量换成算符，状态用波函数表示。原子或分予中的 电子的运动规律服从定态s c h r s d i n g e r 方程 膏p ：p( i - 1 ) 式中力为体系总哈密顿算符。p 为描述体系状态的波函数，它是依赖于组成体 系的所有原子核和电子的坐标函数，作为物理上合理的波函数，p 必须是连续、 单值以及在无穷远处为零。e 为算符疗的本征值，即体系相应的总能量。 对于多原予分子体系，为了找到算符曰的简明表达式，并使s c h r s d i n g e r 方程可解，必须在物理模型上作一系列的近似简化。引入各种不同的近似，就产 生了各种计算方法，其中分子轨道法占据着主导地位。分子轨道从头计算是在非 相对论近似、b o r n o p p e n h e i m e r 近似和轨道近似的基础上进行的。 ( 1 ) 非相对论近似 电子在原子核附近运动但又不被原子核俘获，表明电子必定保持着很高的运 动速度。根据相对论，此时电子的质量不是一个常数，而由电子运动速度v 、 光速c 和电子静止质量风决定 胪毒 “- 2 ) 6 东大学硕十学位论文 非相对论近似忽略这一相对论效应，认为电子质量= 风。 通常的化学反应不涉及原予核的变化，仅是核的相对位置发生变化。因此， 包含一个原子核和n 个电子的分予体系，可写出式( 1 - 1 ) 中的算符疗简化表达 式为 a = 一莩五h 万2v 一2 一莩瓦h 2v ；+ 荟害一莓莩了z a - e 2 + 。zz a 。z 。b e 2 一c ”， 在上式中，z 、r 分别为核电荷、核间距：m 为核质量；r 为电子间距：式中第1 、 2 项分别为核动能、电予动能项；第3 项为电子相互排斥能；第4 项为核与电子 间的吸引能：第5 项为核核排斥能。 如果采用原予单位制( a t o m i cu n i t ，简称a u ) ，即长度用b o h r 半径b o h r 为 单位，能量用h a r t r e e 为单位，质量用电子静止质量“为单位，电荷以电予所带 电荷e 为单位，由于 i b 。h f 羔二：5 2 9 1 7 7 i o 9 c m ：o 5 2 9 1 7 7a( i 4 ) f l o e