（应用化学专业论文）卟啉仿生催化剂的分子模拟研究.pdf

摘要 卟啉化合物在仿生催化等领域得到了广泛的应用。但由于目前实 验方法的不足以及实验条件的限制，人们对卟啉仿生催化剂的研究仍 然存在着许多未知或不是十分清楚的问题。分子模拟的方法可以摆脱 某些实验条件的限制，直观地预测卟啉的结构及特性，指导新型卟啉 化合物的合成。本文应用分子动力学和量子化学方法对卟啉仿生催化 剂的结构和性质进行了研究，主要内容包括： 1 采用分子动力学方法研究了环糊精一卟啉与一系y u - 苯乙烯 衍生物所形成的包结物，并考察了包结物的稳定性对环糊精一卟啉催 化选择性的影响。结果表明，包结物越稳定，越有利于环糊精一卟啉 对二苯乙烯进行选择性催化环氧化。 2 采用分子动力学方法研究了m e s o 一四一( 4 一磺酸基苯基) 卟啉 t p p s 4 ) 二聚体的形成，并用自适应偏置力方法计算了t p p s 4 形成二聚 物的过程中自由能随反应路径的变化。结果表明，在中性水溶液中， 卟啉难以聚集，而在酸性条件下发生质子化后，t p p s 4 易形成二聚体。 3 采用密度泛函方法研究了自旋多重度对氯化四苯基锰n 1 卟啉 结构的影响。结果表明，对氯化四苯基锰1 卟啉，自旋多重度为5 时的结构最稳定。 关键词：卟啉，分子动力学，密度泛函 a b s t r a c t p o r p h y r i nh a sb e e nw i d e l yu s e di nb i o n i c sf i e l d s b e c a u s eo ft h e l i m i ti ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa n dm e t h o d s ，m a n yu n k n o w no ru n c l e a r p r o b l e m se x i s ti nt h es t u d yo fp o r p h y r i n h o w e v e r ，t h et h r e e d i m e n s i o n s t r u c t u r ea n dt h es t r u c t u r ep r o p e r t i e sc a nb ep r e d i c t e dd i r e c t l yu s i n g m o l e c u l a rs i m u l a t i o nm e t h o d s i nt h i sr e p o r t ，t h ep r o p e r t i e so f p o r p h y r i n w e r es t u d i e du s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c sa n dq u a n t u mc h e m i c a lm e t h o d s ， a n dt h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 t h ec o m p l e xo fc y c l o d e x t r i n p o r p h y r i nw i t has e to fs t i l b e n e d e r i v a t i v e s ，a n dt h ee f f e c to fc o m p l e xs t a b i l i t yt ot h ec a t a l y t i cs e l e c t i v i t y o fc y c l o d e x t r i n p o r p h y r i nw e r ei n v e s t i g a t e du s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c s s i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r o n g e rc o m p le xs t a b i l i t yc a n i n c r e a s et h ec a t a l y t i cs e l e c t i v i t yo fc y c l o d e x t r i n p o r p h y r i nt os t i l b e n e 2 t h ea g g r e g a t e so f m e s o t e t r a k i s ( 4 - s u l f o n a t o p h e n y l ) p o r p h y r i n ( t p p s 4 ) w e r es t u d i e du s i n gm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ，a n dt h e c h a n g eo ff r e ee n e r g yw i t ht h er e a c t i o np a t hw a si n v e s t i g a t e du s i n g a d a p t i v eb i a s i n gf o r c em e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t p p s 4d o e sn o t s t a c kt o g e t h e ri nn e u t r a la q u e o u ss o l u t i o n ，a n dt h ea g g r e g a t e so ft p p s 4 f o r mi na c i d i ca q u e o u ss o l u t i o n 3 t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts p i n m u l t i p l i c i t i e s t ot h es t r u c t u r e p r o p e r t i e so fc h l o r i d i z e dm a n g a n e s et e t r a p h e n y l p o r p h y r i n s ( m n l 。1 t p p c i ) i i w a ss t u d i e du s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a l t h e o r y t h er e s u l t ss h o wt h a t ， m a n g a n e s ep o r p h y r i nw i t h5s p i n sm u l t i p l i c i t yi so ft h em o s ts t a b l e s t r u c t u r e k e y w o r d s ：p o r p h y r i n ，m o l e c u l a rd y n a m i c s ，d e n s i t yf u n c t i o n a l i i i 1 1 引言 第一章综述 卟啉是一种广泛存在于生物界的活性物质，叶绿素、血红素、 维生素b ，2 都可以看作是卟啉类化合物，它们在生命过程中氧的传递、 活化和光合作用等方面起着十分重要的作用 1 1 。 卟啉化合物最早在2 0 世纪三十年代合成】。在2 0 世纪5 0 年代， 人们开始致力于八烷基卟啉及各种天然卟啉的研究。其后，卟啉化合 物在很多学科领域都得到了非常广泛的应用，尤其是其在仿生催化领 域的应用。近年来，以金属卟啉作为仿生催化剂的研究发展十分迅速， 并取得了许多重要成果。 分子模拟方法是在理论化学方法和实验数据的基础上分析分子 本身或分子间相互作用、预测分子的物性或生物活性的一种方法。它 能帮助化学家以较具体的概念来了解、分析观察到的结果，并能够对 未知或不易观察的化学系统进行预测，以提供进一步研究的方向。目 前，随着计算机硬件及计算方法的不断完善，分子模拟方法在卟啉化 学中的应用研究呈上升趋势。对卟啉化合物的结构及其化学行为更深 刻的理解为深入探讨卟啉仿生催化剂的化学本质提供了理论上的模 型。这些模型还可进一步地应用于其它与之类似的仿生催化剂体系。 因此将分子模拟方法充分地应用于卟啉仿生催化剂体系的研究具有 非常重要的理论意义。 1 2 卟啉的性质 卟啉是由四个取代吡咯环通过碳原子相互连接而成的环状刚性 共面型分子。其母体卟吩环上十二个可取代位置上可连有各种取代 基，如果在卟啉环上修饰上不同的取代基、引入不同的中心金属、改 变四个氮原子的给电子能力、或者改变不同的轴向配体，都会使卟啉 或者金属卟啉显示出不同的功能。图1 1 给出了卟啉和金属卟啉的结 构。卟啉的母体卟吩是具有1 8 电子的大n 键平面分子结构，具有芳 香性，且卟吩的骨架非常容易变形，其分子构型与0 【、p 、卟6 位的 四个取代基有关。所以不同的卟啉分子平面性不同，共轭程度也不同。 卟吩核由于没有取代基团而近于平面结构，四取代的卟啉( 如四苯基 卟啉) 分子平面呈不同程度的偏离。 图1 1 卟吩和金属卟啉的结构 1 3 卟啉化合物的应用 由于卟啉化合物具有独特的结构和特殊的生理活性，使得卟啉化 合物在仿生催化、超分子组装、医学、材料化学、能源利用等很多方 面具有良好的应用前景。 1 3 1 卟啉在催化领域的应用 o l s e n 4 】手艮道了用超临界二氧化碳作介质，f e ( c p p ) c 1 为催化环己 烷氧化的反应，环己醇的收率为1 5 1 7 ，活性转换数为5 3 4 。p a r k 等 s 1 n f e ( t p f p ) c i 为催化剂，p h i ( o a c ) b 2 b 为氧化剂，在加少量水的条件 下催化氧化环辛烷，而产物以醇为主，环辛醇的收率达4 7 。近年来， 人们开始对糖基卟啉的合成和性能研究表现出极大的兴趣。m a i l l a r d 等6 】j 哿合成的葡萄糖氧代四苯基卟啉应用于催化对氯苯乙烯的环氧 化研究，结果表明该类催化剂具有较高的构型选择性和较高的反应收 率。郭灿城 7 】等合成了乙酰糖基金属卟啉用于烷烃的氧化，结果发现 糖基金属卟啉对异戊烷选择性羟基化反应的催化行为更接近细胞色 素p 4 5 0 单充氧酶。g e i e ri i i 等【8 1 报道了一种新颖的表面固载金属锰卟 啉催化剂催化氧化取代的苯乙烯，用p h i o 作氧化剂可得到7 0 以上的 反应收率。 1 9 9 7 年中山大学的计亮年院士利用溴代烷与硫醇间极易反应的 特性，制备了8 种尾端基团为苯并咪唑基的对一尾式卟啉锰( i i i ) 、钻( i i ) 配合物，并研究了亚碘酰苯存在下尾式卟啉配合物对环己烷氧化的催 化作用，初步探讨了催化反应机理【9 】o 结果表明，尾式卟啉配合物具 有比轴向氯配位的四苯基锰卟啉及四苯基钴更高的催化活性。这可能 与催化过程中卟啉的尾端基团参与分子间的轴向配位有关。分析卟啉 的催化活性与其结构的关系，发现卟啉苯环上取代基的性质对催化活 性有较大的影响【1 0 ，1 1 】，苯环上的推电子取代基有利于0 2 的配位活化， 而吸电子取代基则不利于0 2 的配位活化。2 0 0 3 年，t a g l i a t e s t a 等1 2 1 报 道y 2 ，6 二氯苯基卟啉铁f e n ( t d c p p ) 催化聚苯乙烯纤维和重氮乙酸 乙酯的反应，得到了较高的反应收率，并证明了卟啉催化此反应的机 制是自由基反应。n a s c i m e n t o 等 1 3 用m n ( i i i ) ( b r 6 t c m p p ) c 1 f - , j 催化剂， p h i o 为氧化剂在室温下氧化环己烷，环己醇和环己酮的收率分别为 2 4 和7 。p a r k 等 1 4 1 n f e ( t p f p ) c i 为催1 j c 齐o ，p h i ( o a c ) 2 为氧化剂， 在加少量水的条件下催化氧化环辛烷，得到环辛醇的收率达到4 7 。 o l s e n 1 5 1 报道了用超临界二氧化碳作介质，f e ( c p p ) c 1 催化环己烷氧化 的反应，环己醇的收率为1 5 1 7 ，活性转换数为5 3 4 。此外，卟啉还 可以和其它催化剂结合进行催化氧化反应。李臻等 1 6 1 用m n t p p s 4 为催 化剂，在a c n 离子液体中催化环己烷，其转化率达4 6 ，醇和酮的收 率分别为2 4 和2 2 。 随着卟啉化合物在仿生催化领域应用的越来越广泛，环糊精一卟 啉所构成的超分子在仿生催化领域引起了广大化学研究者的极大兴 趣。环糊精一卟啉体系可以利用环糊精对反应底物的选择性来改善金 属卟啉的催化选择性，使其结合特定的底物，并控制催化反应在底物 的特定位置进行。1 9 8 9 年，k u r o d a o j 造性地将环糊精引入到卟啉分子 4 中合成了三明治型环糊精卟啉化合物，并以此化合物作为催化剂催 化环己烯的环氧化反应。结果发现，与没有环糊精基团的金属卟啉相 比，三明治型环糊精一卟啉化合物的催化能力有很大的提高，并表现 出较好的立体和区域选择性 1 7 - 1 9 。1 9 9 6 年，b r e s l o w 课题组通过巯基 键在四苯基卟啉的苯环上引入环糊精基团，合成了一种新的环糊精一 卟啉化合物，并在随后的几年里对其作为模拟酶的催化选择性进行了 系统地研究，结果发现环糊精一卟啉模拟酶对不同的底物具有不同的 选择性，且自身结构的变化也能引起环糊精一卟啉模拟酶催化活性及 区域选择性的差异 2 0 - 2 7 】。f r e n c h 采用环糊精一卟啉模拟酶催化断裂 p ，d 一胡罗卜素上的特定双键生成维他命a ，同时提出了两种可能的胡 罗卜素进入环糊精空腔的模式 2 8 - 3 0 】。此外，环糊精可以与卟啉形成包 结物来改变卟啉分子的物理化学性质，阻碍卟啉模拟酶因自聚而失 活，显著提高了卟啉的催化活性及选择性3 1 - 4 3 1 。 1 3 2 卟啉在超分子组装方面的应用 由于自然界中的金属卟啉配合物也是与蛋白质或生物膜组装成 超分子后才发挥其功能的。因此卟啉超分子组装方面的研究也是卟啉 仿生等领域的热门课题。 y o u n g b l o o d 等【删为了探索能量传递的速率、效率和机理，用不同 金属卟啉组装t z n p b p m g ( p b p ：卟啉一桥卟啉) 和z n p b p f b ( f b ： 自由碱卟啉) 两种聚合体，该研究对于设计和合成光接收系统材料提 供了指导作用。k i r m a i e r 等 4 5 , 4 6 禾1 j 用卟啉的自组装合成了四个分子光 气 线圈。研究结果表明，每个线圈都展示了可见吸收光谱的特征，能量 通过炔键进行快速传递，最终使光能从输入单元传到输出单元。富勒 烯与卟啉在基态和激发态都有氧化还原性质，富勒烯在可见光区有弱 的吸收，卟啉在可见区一般有强的吸收。为了设计新颖的人造光合反 应系统，大多数以c 6 0 为基础的供给体一接收体系统中，都利用卟啉作 为有序地捕获光能的天线4 7 1 。f u k u z u m i 等设计合成y z n o b 啉一c 6 0 组装体。对于光激发来说，该组装体产生了一个不寻常的长时间停留 的激发离子对，这对于获取长时间停留的电荷独立态是十分重要的。 此光电效应在打开或关闭光脉冲方面具有转换光诱导电子转移的能 力，有潜在的应用价值 4 9 1 。i k e d a 等【5 0 】利用静电力和有效光电流的产 生合成出一个稳定存在的卟啉一c 6 0 组装体。该组装体具有双层薄膜结 构，对可见光能产生光电流效应。人造光合反应系统的发展目的是为 了把可见光转变成电能、化学能，许多种卟啉一c 6 0 组装体作为一个理 想的构成元件来获取长时间停留的电荷独立状态 5 1 1 。为了加速电子转 移的速率，一个有效的方法是利用纳米结构的s n 0 2 薄膜。i m a h o r i 等5 2 】 运用电化学方法，采用金属电极，将合成的卟啉一c 6 0 组装体聚集在 s n 0 2 薄膜上。此分子组装体相对于单分子层系统来说能有效地改善 光吸收，在可见光激发条件下产生阳极光电流，揭示了光诱导多步电 子转移和能量转移的过程。该研究为发展光电化学电池提供了一个借 鉴的方法： 由于卟啉具有大n 键的结构，其n n 系统之间的相互作用使卟 啉可以通过非共价键形成有序的、具有特殊构象的结构单元。自组装 6 体的结构可以分为一维线性、二维平面、三维环状或圆形的结构 5 3 1 。 通过非共价键相互作用构造的卟啉组装体在功能性物质的设计中是 非常有发展前途的【5 4 1 。 卟啉分子的聚集也是自组装的一种形式。卟啉的聚集形式主要 有两种：肩并肩的j 聚集体和面对面的h 聚集体。带有电荷的水溶 性卟啉分子在水溶液中的聚集受其所带电荷的影响。带有正电荷的阳 离子卟啉，由于正电荷的作用，使卟啉环上的电子云密度降低，使n 堆积作用减弱。阴离子卟啉由于阴离子的供电子作用，使卟啉的兀一n 堆积作用增强，使其较阳离子卟啉更容易自聚。卟啉聚集体研究比较 多的是m e s o 一四一( 4 磺酸基苯基) n l - 啉( t p p s 4 ) 5 5 - 5 7 】。在酸性条件下， t p p s 4 卟啉环的中心氮原子发生质子化，使卟啉环带正电荷，增强了 与带负电荷的磺酸基之间的静电引力，从而促进了t p p s 4 形成聚集 体。 t p p s 4 在较高酸度条件下发生质子化，生成h 4 t p p s 4 。质子化 产物中的正电荷与卟啉上带负电的磺酸基之间的静电吸引作用，使卟 啉发生聚集 5 8 , 5 9 。除了高浓度、高酸度和高离子强度可以诱导生成 卟啉聚集体外，蛋白质、冠醚或者阳离子表面活性剂都会对t p p s 的 聚集行为产生显著影响 6 0 - 6 2 。 此外，卟啉在材料化学，分析化学，医药化学等领域也得n - ； 非常广泛的应用 6 3 石9 1 。 1 4 分子模拟方法 研究卟啉化合物的方法很多，如紫外光谱，荧光光谱，红外光 谱，圆二色谱，以及核磁共振( n m r ) 光谱等。这些实验方法仅能得到 各种宏观实验现象。尽管宏观现象反映微观本质，但要从分子水平上 甚至原子和电子水平上去研究分子间的弱相互作用，最重要的方法就 是研究它的微观结构。在这一点上，分子模拟的方法独树一帜，越来 越引起人们的瞩目。通过分子模拟的方法可以直接给出体系的三维结 构，证实实验中的结果，进而解释或预测卟啉分子体系的某些宏观性 质。 分子模拟是用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子的结构 与行为，进而模拟分子体系的各种物理和化学性质。分子模拟方法主 要有四种：量子力学方法，分子力学方法，分子动力学方法和蒙特卡 罗方法。其中，量子力学可以描述电子结构的变化，而分子动力学可 以描述各种温度下的平均结构，以及结构的物理变化过程。当研究短 时间尺度的分子动力学过程时，分子动力学具有不可替代的优势。下 面重点介绍分子动力学方法和量子化学方法中的密度泛函理论。 1 4 1 分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 分子动力学方法( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 利用牛顿经典力学来 计算分子在相空间的轨迹，进而研究系统的平衡热力学性质、结构动 力学性质等，得到的结果既有系统静态特性，也有动态特性。在分子 动力学中，原子的运动遵守牛顿定律： e ( f ) = m i a ；= 他a 2 f 疋) a 2 t 2( 1 1 ) 其中，f s ( t ) ，a i ( t ) ，f 分别表示原子i 在t 时刻所受到的力、加速度 和位置。原子所受的作用力是势能的负梯度，它们既可以从量子力学 算法求得，也可以从分子力学算法的经验力场求得。由于经验力场算 法在分子的结构，能量，振动波谱及分子的偶极距、生成热等性质的 预测方面可以达到与量子力学算法相同的准确度，且经验力场算法具 有较快的运算速度，目前很多分子动力学算法均用经验力场的势能函 数来计算原子受到的作用力。原子运动方程的积分过程作为一个分子 动力学算法中的轨迹，重现了体系中粒子的位置和速度随时间的变化 过程。在分子动力学算法中，通过积分原子的运动方程可以产生体系 的一系列构象，从而可以模拟分子结构和能量随时间变化的状况。 c h a r m m 力场是分子动力学中应用最广泛的力场7 0 1 。它由 k a r p l u s 课题组开发，对小分子体系到溶剂化的大分子体系都有很好 的拟合。c h a r m m 力场的势函数形式是基于可分离的内坐标项和成 对非键作用项。不考虑由于施加约束等外在因素引入的作用项，其总 的势函数形式如公式( 1 2 ) ： = z k 。( b - a o ) 2 + 砧( 秒一o o ) 2 + zk ol _ k c o s ( 咒) + 瓦( 一0 3 。) 2 + 焉；。兹+ 材争一扣能瑚 ( 1 2 ) 其中前四项为键合作用项，依次为键伸缩能、键角弯曲能、二面角扭 转能、非正常二面角能；后两项为非键作用项，即静电能和范德华能。 分子力学或量子力学能量最小化得到的分子结构处于平衡位置 并且是静止的。而实际上分子是运动的，它们随时都在运动并且改变 着分子的形状。与量子力学和分子力学算法相反，分子动力学算法不 仅考虑了分子结构变化过程的势能变化，而且考虑了分子运动过程的 动能变化。在原子运动过程中，它们倾向处于势阱底部的平衡位置附 近，如果势阱不是很深或体系的温度足够高，分子就可以从一个势阱 进入另一个势阱，从而可以得到处于不同低能态的分子构象及能量。 分子动力学方法在理论上是对体系变化过程最真实的再现。这种方法 可以模拟体系的能量分子状况，与统计热力学方法相结合就可以测定 体系的热力学参数，从而把微观模型和宏观模型联系起来。 在分子模拟方法中值得一提的是自由能的计算方法，精确的自由 能预测方法能够大大提高分子设计的效率 7 1 - 8 1 。这里重点介绍自适应 偏置力( a d a p t i v eb i a s i n gf o r c e ，a b f ) 方法7 7 墙1 1 。 a b f 方法是在无约束的热力学积分方法的基础上发展起来的， 是一种新型的计算自由能随某一指定的路径变化的方法。其基本思想 是体系从一个状态出发，沿某一反应路径三逐步变化到另一个状态， 沿着反应坐标积分每一芒内的平均力得到体系自由能随三的变化。 原始的p m f ( p o t e n t i a lo f m e a nf o r c e ) 方法中，每一个亏对应的自由能都 是在相空间采样的几率密度的函数，不可避免的会受到采样不均匀的 影响。为此，d a r v e t 7 7 提出了a b f 方法，其基本思想是在p m f 方法 的基础上引入一个偏置力，以保证体系在一个三范围内，沿着反应 l n 坐标方向上的外力在一定时间内平均值为零，从而消除了原p m f 中 由于能垒引起的采样不均匀的问题。 a b f 方法与几种经典的p m f 计算方法相比有明显的优点：a b f 方法无需预先知道自由能势垒的形状和高度，也没有施加外部约束， 不会受外部约束的影响，引进了偏置力的概念，使其采样效率大大提 高。另外，根据需要把反应路径分为几段分别处理的时候，相邻的各 段不需要重叠，因此处理结果的时候不需要使用权重相加等任意引起 误差的处理方法，只需要把各段直接累加即可。c h i p o t 等把a b f 方 法与其它p m f 计算方法进行了比较，并把它应用于跨膜仅一螺旋的识 别和结合自由能的计算 7 8 】，以及短肽自由能面的研究【8 1 ，结果表明 a b f 是一种高效准确的计算方法 7 9 1 。 1 4 2 密度泛函理论( d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y , d f t ) 传统的量子力学方法是通过求解薛定愕方程( 或等价的方程) 求解 波函数来得到多电子体系的性质。这种方法计算量较大，仅适用于少 数简单的体系。随着体系包含的电子数目越来越多，波函数的自变量 越来越多，形式也越来越复杂，使得精确求解大体系的薛定愕方程成 为不现实的事。于是，密度泛函理论( d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y , d f t ) 就应运而生了。密度泛函理论是用电子密度作为基本变量代替波函数 来描述和确定体系的性质。目前，密度泛函理论不仅可以用于原子、 分子及固体等闭壳层体系的基态几何结构、电子结构的计算，而且也 可以用于计算激发态开壳层体系。密度泛函理论由于计算量小，而精 1 1 度一般可以达到从头算m p 2 方法的水平，在化学理论研究中得到了 广泛的应用。 。 1 9 6 4 年，rh o h e n b e r g 和w - k o h n 开g j t 电子密度泛函理论 8 2 】， 第二年，wk o h n 和沈吕九就得到了电子密度泛函理论中的单电子方 程，即著名的k o h n s h a m ( k s ) 方程8 3 1 ，使密度泛函理论得以实际使 用。密度泛函理论跳出了以电子波函数作为变量的框架，另辟蹊径以 电子密度作为基本变量，在解薛定愕方程时，用统计方法代替交换积 分计算，因而取得了计算时间短、精度高的效果，特别适用重原子， 多原子体系。 密度泛函理论中采用的密度函数为： p ( r ) = 协俄p 罗( ，r 2 ，) 罗( 巧，r 2 ，) ( 1 3 ) 自由度由原来的t ( r 1 ，r 2 ，r 3 r n ) ，3 n 个，变为p ( r ) ，3 个，从而大大简化 了计算，为量子化学的发展开辟了一条新的途径。密度泛函理论是一 种完全基于量子力学的从头算( a b i n i t i o ) 理论，但是为了与其它的量子 化学从头算方法区分，人们通常把基于密度泛函理论的计算叫做第一 性原理( f i r s tp r i n c i p l e s ) 计算。经过几十年的发展与众多科学家的努力， d f t 作为处理多电子体系的理论方法日趋完善。它既克服了传统的 a bi n i t o 、h f 、s c f 方法难以考虑电子相关作用的缺点，又避开了m p 、 c i s d 、c c s d ( t ) 等方法处理较大体系耗费时间的不足。一般地，a b i n i t o 、h f 、s c f 方法的计算量与基函数个数的三次方成正比，因此 d f t 为研究较大体系的量子化学性质提供了一条可能的途径。 密度泛函理论方法有许多种类，最常用的几种方法是：b l y p ( b e c k e 的梯度矫正交换函剡8 4 1 ，l e e y a n g p a r r d e 的梯度矫正交换函 数嘲相结合) 、b 3 l y p ( b e c k e 的三参数方法与l e e y a n g p a r r d e 的相关 函数相结合) 、b 3 p 8 6 ( b e c k e 的三参数方法嗣与p e r d e w 的相关函数相 结合) 和b 3 p w g l ( b e c k e 的三参数方法与p e r d e w w i l k 的相关函数相 结合、) 。其中，b 3 l y p 、b 3 p 8 6 和b 3 p w 9 1 是d f t h f 混合方法。最 近的报道表明，在分子构型、振动频率和化学反应能方面，密度泛函 理论取得了令人满意的结果。许多研究表明用密度泛函理论计算得到 的分子构型和振动频率比用m p 2 方法得到的结果更可靠 8 9 2 】。 就目前的计算条件和计算方法而言，d f t 方法既有较高的计算精 度( 与m p 2 相比，计算速度却比其快将近一个数量级) ，又考虑了电子 相关性( 与h f 相比) ，也不太费时，d f t 方法已成为量子化学计算的 另一重要方法。 1 5 分子模拟方法在卟啉化学中的应用 随着计算机硬件及软件的不断发展和完善，分子模拟方法在卟啉 化学中的应用研究呈上升趋势。分子模拟方法能直接给出化合物的三 维结构，并能进一步分析得出结构与性质之间的关系。这能够帮助我 们更好地理解分子的结构和化学反应。 分子模拟方法在卟啉化学中的一个最重要的用途是用来预测卟 啉的结构。m u n r o 用m m 2 力场计算得到多种非平面变形的卟啉结构， 且与实验结果一致 9 3 - 9 5 】。b r u i c e 和其合作者用分子力学方法计算了一 系列对称和不对称卟啉衍生物之间的分离 9 6 1 ，结构用分子动力学方法 1 气 进行了模拟，计算所得到的结构与采用半经验方法得到的结构类似， 并与实验得到的结果一致9 7 1 。除了分子力学和分子动力学以外，量子 化学方法在卟啉化学中的应用也非常广泛，尤其是量子化学中的密度 泛函方法。密度泛函方法可以用来计算键参数、电子态结构、原子化 能、单点能、激发态能量、电离势、电负性、电子亲合势等等。g h o s h 等用组态相互作用的密度泛函理论对原生自由碱卟啉的电子吸收光 谱进行了研究，再现了在实验中观察到的实验光谱，并和其它计算方 法进行了比较，结果表明此方法优于同等计算量的方法 9 8 - 1 0 0 。章应 辉用密度泛函方法计算卟啉分子的几何结构和拉曼光谱，计算出的拉 曼振动频率与实验测量数据吻合较好 1 0 1 , 1 0 2 。 研究内容和研究前景 在过去的几十年里，卟啉的合成方法及其在各领域的应用研究都 得到了极大的发展，尤其是在仿生催化领域得到了非常广泛的应用。 但对卟啉的结构特性及其对催化性能的影响方面还有待进一步深入 研究。分子模拟方法可以克服实验条件上的限制，帮助化学工作者直 观地了解卟啉的结构特性，并能成功地用于卟啉结构的预测，为从事 分子以上层次的科学研究提供依据。 基于以上目的，本文首先采用分子动力学方法研究了以共价键结 合环糊精基团的卟啉分子与一系列二苯乙烯衍生物所形成的包结物， 并考察了包结物的稳定性对环糊精一卟啉催化二苯乙烯环氧化选择 性的影响。 1 4 采用分子动力学方法研究了t p p s 4 形成二聚物的过程，并用自适 应偏置力方法计算了二聚物形成的过程中，自由能随反应路径的变 化。 采用密度泛函方法计算了具有不同自旋多重度的卟啉分子的结 构，并从几何结构，能量以及轨道能级方面分析了自旋多重度对卟啉 结构的影响。 目前计算机的硬件及软件已发展到相当高的水平。各种新算法的 开发使得计算卟啉这样大小的分子成为现实，同时，随着新类型的分 子力场的产生和试验，使得利用分子力场计算所得的结果更加可靠。 这些都预示着分子模拟方法在卟啉化学中的应用有着良好的发展前 景。 第二章环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物包结作用的分子动 力学模拟研究 2 1 引言 近年来，环糊精一卟啉以其独特的性质引起了广大化学研究者的 极大兴趣 2 6 , 1 0 3 , 1 0 4 】。卟啉类化合物构成了细胞色素，血红蛋白，p - 4 5 0 单加氧酶和过氧化物酶等不同生物功能酶的活性中心，而环糊精特有 的疏水空腔使其具有分子识别和包结客体分子的能力。在仿生催化反 应中，将疏水性的环糊精基团引入到卟啉分子中，不仅能改善卟啉分 子的物理化学性质，避免卟啉分子因自聚而造成催化剂失活，还能够 利用环糊精分子识别和有选择包结客体分子的能力来改善金属卟啉 的催化选择性，使其可以结合特定的底物，并控制催化反应在底物的 特定位置进行。 目前大多采用实验的方法研究环糊精一卟啉作为模拟酶在催化 反应中的应用。k u r o d a 课题组合成了三明治型环糊精一卟啉，并采用 其作为催化剂催化环己烯的环氧化反应 1 7 , 1 8 。f r e n c h 采用环糊精一卟 啉为催化剂催化断裂p ，3 - - 胡罗卜素上的特定双键生成维他命a 的先 导化合物 2 9 - 3 1 】。b r e s l o w 课题组把环糊精一卟啉用于催化二苯乙烯的 选择性环氧化以及甾类化合物的选择性羟基化反应 2 0 , 2 2 - 2 5 2 7 , 2 8 。实 验表明，环糊精一卟啉具有较好的催化选择性，且环糊精一卟啉与底 物所形成包结物的稳定性是影响其催化选择性的重要因素。分子模拟 的方法通常用来合理地解释实验中的现象 1 0 5 , 1 0 6 】。为了考察在环糊精 1 6 一卟啉催化二苯乙烯环氧化的反应中，包结物的稳定性对环糊精一卟 啉催化选择性的影响，本文采用分子动力学模拟的方法研究真空及水 溶液两种环境中环糊精一卟啉与一系列带有不同取代基的二苯乙烯 衍生物( 底物) 所形成的包结物，并从相互作用能，相对距离的变化 及包结结构三个方面考察包结物的结构稳定性及其对环糊精一卟啉 催化氧化二苯乙烯选择性的影响。 2 2 分子模型和计算方法 2 2 1 分子模型 环糊精一卟啉分子中的四苯基卟啉和p 一环糊精基团分别取自于 其三维晶体结构 1 0 7 ，1 0 8 1 。用巯基键在四苯基卟啉上连接两个p 环糊精 基团即得到环糊精一卟啉的结构。本文所选用的一系列二苯乙烯衍生 物的结构及编号如图2 1 所示。环糊精一卟啉的结构及其与二苯乙烯 衍生物形成包结物的示意图如图2 2 所示，其中二苯乙烯分子中 c 1 = c 2 双键即为选定进行催化环氧化的双键。整个体系置于一个长方 体水盒子中，并在分子动力学模拟过程中应用周期性边界条件。水盒 子的初始大小为2 0 2 0 4 0a 3 。在分子动力学模拟过程中，卟啉外 环上的碳原子被限制在其平衡位置。 图2 1 二苯乙烯衍生物的结构 旷 ( b ) 图2 2 ( a ) 环糊精- di - 啉的结构及( b ) 环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物形 成包结物的示意图 1 8 p。号。莎 歹。鬯审分乏 。号。方 吖号弘 愀矿凡 j 。 罗o 丫9 b k 孓。 孑 丫9 己h 。 多 b 丫9 b k 从 鲁( 岁 2 2 2 计算方法 所有计算均采用h y p e r c h e m 7 0 软件进行。在真空环境中，首先采 用最速下降法对初始结构进行能量最小化，其后对经过能量最小化的 结构在o k 下进行2 0 0 步的蒙特卡罗模拟，以搜索具有更低能量的构 象。最后以蒙特卡罗模拟过程得到的最低能量结构为初始结构进行分 子动力学模拟。在分子动力学模拟过程中，整个体系首先以1 0 k p s 的步长经过3 0 p s 的升温过程达到3 0 0 k ，并控制温度为3 0 0 k 进行 5 0 0 p s 的分子动力学模拟，模拟步长为1 f s 。采用的力场为m m + 力场。 对经过分子动力学模拟的结构再次进行能量最小化，并计算相应的能 量。采用与上述相同的步骤对水溶液中的体系进行分子动力学模拟。 2 3 结果与讨论 由于环糊精一卟啉与底物所形成包结物的稳定性是影响环糊精 一卟啉模拟酶催化选择性的一个重要因素，为此本文从环糊精一卟啉 与底物之间的相互作用能、相对距离的变化及包结结构三个方面考察 包结物的稳定性。 2 3 1 环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物之间的相互作用能 主客体间的相互作用能是反映包结物结合稳定性的一个重要方 面。为了考察环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物形成包结物的稳定性， 本文首先考察了环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物之间的相互作用能。 以经过分子动力学模拟和二次能量最小化的结构为基础，保持水分 子，环糊精一卟啉分子以及二苯乙烯衍生物分子的相对位置不变，把 体系的各组成分子进行拆分，并计算环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物 之间的相互作用能。计算相互作用能的公式如下： 蝎n 。盯= 丘dp s u b 一如p o r 一岛b ，其中蝎n 衙为环糊精一卟啉与二苯乙烯 衍生物之间的相互作用能，丘dp 凹辄b ，展dp ，e s u b 分别为包结物、环 糊精一卟啉及二苯乙烯衍生物的能量。 n o o fs t i l b e n e 图2 3 真空和水溶液中环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物之间的 相互作用能 图2 3 给出了真空和水溶液两种环境中环糊精一卟啉与6 种二苯 乙烯衍生物之间的相互作用能。从图中可以看出，带有不同取代基的 2 0 产一。盎，i一霄o)：i。m-o岛。口。一_o日-o_1llh 二苯乙烯与环糊精一卟啉之间具有不同的相互作用能。其中，底物2 与环糊精一卟啉所形成的包结物具有最强的主客体分子间相互作用， 而底物6 与环糊精一卟啉所形成的包结物具有最弱的主客体分子间 相互作用。比较真空和水溶液两种环境中的主客体分子间相互作用可 以得出，水溶液中的环糊精- h i - 啉与二苯乙烯衍生物之间的相互作用 要明显弱于真空状态中的相互作用。这可能是由于水分子的介入使得 水分子和二苯乙烯衍生物分子在与环糊精一卟啉相互作用的过程中 产生竞争，进而削弱了环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物之间的相互作 用。 2 3 2 环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物之间相对位置的变化 为了进一步研究环糊精一卟啉与二苯乙烯衍生物所形成包结物 的稳定性，以环糊精一卟啉金属原子上的氧原子和二苯乙烯的c 1 = c 2 双键作为参考点，考察了分子动力学模拟过程中环糊精一卟啉与 二苯乙烯衍生物之间相对距离的变化。 图2 4 ( a ) 给出了分子动力学模拟过程中底物2 与环糊精一卟啉 在水溶液中所形成的包结物主客体相对位置的变化。从图中可以看 出，对主客体分子间相互作用最强的环糊精一卟啉与底物2 ，其分子 动力学模拟过程中相对距离的变化也较为平稳，且相对距离的值接近 范德华距离。这说明环糊精一卟啉与底物2 之间的结合稳定性较强， 且主客体之间的相对距离有利于环糊精一卟啉对底物进行选择性催 化氧化。而对于主客体分子间相互作用相对较弱的底物4 与环糊精一 卟啉在水溶液中形成的包结物，其主客体间的相对距离在分子动力学 模拟过程中波动较大( 如图2 4 ( b ) 所示) 。这说明底物4 与环糊精一卟 啉之间的结合稳定性相对较弱。对主客体分子间相互作用最弱的底物 6 与环糊精一卟啉所形成的包结物，主客体分子间相对位置的变化如 图2 4 ( c ) 所示。从图中可以看出，主客体间的相对距离在分子动力学 模拟过程中具有相当大的波动，且相对距离的值远大于范德华距离。 这说明在分子动力学模拟过程中底物6 与环糊精一卟啉之间的结合 不够稳定，且较大的分子间相对距离不利于环糊精一卟啉对底物进行 选择性催化氧化。 t i m e ( p s ) ( a ) 一qc一一d；一。叱 t i m e ( p s ) ( b ) t i m e ( p s ) ( c ) 图2 4 分子动力学模拟过程中，( a ) 底物2 ，( b ) 底物4 ，( c ) 底物6 与环 糊精一卟啉在水溶液中形成的包结物主客体之间相对位置的变化。 2 3 一一oc_一i)；一叱 一一oc町一一d茹一叱 2 3 3 环糊精- n t - 啉与二苯乙烯衍生物形成的包结结构 为了考察包结结构对结合稳定性的影响，本文考察了环糊精一卟 啉与带有不同取代基的二苯乙烯所形成的包结结构。图2 5 ( a ) 给出了 主客体间结合最稳定的底物2 与环糊精一卟啉所形成的包结结构。从 图中可以看出，底物2 的两端能够同时与卟啉两端的环糊精进行紧密 包结。这可能是由于底物2 自身链的长度较长且两端取代基的大小与 环糊精空腔的尺寸较为匹配，从而使得底物2 与环糊精一卟啉之间的 相互作用较强，二者所形成包结物的结合稳定性较强，在分子动力学 模拟过程中相对距离的变化较为平稳。对于含有链状取代基的底物4 与环糊精一卟啉形成的包结物( 如图2 5 ( b ) 所示) ，尽管底物4 两端的 取代基也能够同时包结进卟啉两端的两个环糊精空腔中，但与底物2 相比，底物4 其中一端的链状取代基相对于环糊精空腔来说体积较 小，与环糊精的包结较为松散，从而使得包结结构的稳定性相对较弱。 图2 5 ( c ) 给出了主客体间结合稳定性最弱的底物6 与环糊精一卟啉所 形成包结物的结构。从图中可以看出，底物6 只能与卟啉一端的环糊 精进行包结。这可能是由于底物6 自身链的长度较短，不能够同时包 结进卟啉两端两个环糊精的空腔，从而造成了主客体分子间的相互作 用最弱，所形成的包结物稳定性最弱。 ( a ) ( c ) 图2 5 经分子动力学模拟后，水溶液中环糊精一卟啉与( a ) 底物2 ，( b ) 底物4 ，( c ) 底物6 所形成的包结结构 舞 一廷蚤喾 漤敦 2 4 结论 本文采用分子动力学方法研究了环糊精一卟啉与一系列二苯乙 烯衍生物所形成的包结物，并考察了包结物的稳定性及其对环糊精一 卟啉催化二苯乙烯环氧化选择性的影响。通过分析包结物中主客体分 子间的相互作用能及相对距离的变化，发现环糊精一卟啉与不同结构 的二苯乙烯衍生物所形成包结物的稳定性也不同。二苯乙烯两端取代 基的结构特性是影响包结物稳定性的一个重要因素。二苯乙烯两端的 取代基与卟啉两端环糊精的空腔尺寸越匹配，包结物的结构越稳定， 越有利于环糊精一卟啉对二苯乙烯进行选择性催化氧化。 3 1 引言 第三章i l l e s o 一四一( 4 一磺酸基苯基) 卟啉( t p p s 4 ) 二聚体的分子动力学模拟研究 近些年来，分子聚集体因其独特的结构和性质引起了人们广泛的 兴趣，特别是那些通过自组装而形成的功能超分子聚集体 1 0 9 , 1 1 0 】。卟 啉由于其特有的共轭疏水大环结构，具有特殊的堆积能力，可以通过 非共价键相互作用形成有序的、具有特殊构象的聚集体【1 1 1 。1 3 】。卟啉 形成的聚集体在光能的转化、氧的传递、生物催化及光动力治疗等方 面都起到了非常重要的作用，研究卟啉的聚集对模拟酶的生物功能有 重要的意义 11 4 , 1 1 5 】。 近年来，水溶性的四一( 对一磺酸基) 苯基卟啉( t p p s 。) 的聚集行为 引起了科学工作者的广泛关注。实验研究表明t p p s 4 在水溶液中的聚 集受到了溶液p h 值、离子强度、浓度以及无机、有机阳离子表面活 性剂的影响1 1 6 。1