（物理化学专业论文）应用计算化学方法研究β八氟meso八甲基杯4吡咯及杯n吡咯.pdf

ab s t r a c t t h e c a l i x p y r r o l e s a r e a c l a s s o f o l d and n e w h e t e r o c a l ix a r e n e ana l o g u e s . a s a c l a s s o f i m p o rt ant h o s t m o l e c u l a r s , p e o p l e w e r e g r e a t l y in t e r e s t e d i n r e s e a r c h in g t h e i r s t r u c t u r e s a n d p r o p e rt i e s . r e c e n t l y , i n t h i s f ie l d , w h a t s c i e n t i s t s e m p h a s i s i s s t r u c t u r e s and p r o p e rt i e s o f m e s o - r - c a l i x 4 p y r r o l e s , w h i c h m e s o o r 13 a r e r e p l a c e d w i t h r e p l a c e r s . i n a d d i t i o n , s c i e n t i s t s h a v e p e r f o r m e d s o m e r e s e a r c h e s i n m o l e c u l a r r e c o n g n i t i o n o f t h e c a l i x p y r r o le s . i n t h i s p a p e r , b y t h e c o m p u t a t i o n a l c h e m i s t r y m e t h o d s , s t r u c t u r e s and p r o p e r ti e s o f p - o c t a fl u o r o - m e s o - o c t a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e w e r e s t u d i e d . c l e a r l y , t h e w o r k o f r e s e a r c h e s i n c l u d e t h r e e a s p e c t s , a s f o l l o w s : 1 . b y m e ans o f m o le c u l a r d y n a m i c s m e t h o d , t h e e n e r g y m i n i m u m c o n f o r m a t i o n s o f s - o c t a fl u o r o - m e s o - o c t a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e a r e o b t a i n e d . t h e n , t h e g e o m e t r y , e n e r g y and c h a r g e o f t h e d i ff e r e n t c o n f o r m a t io n s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d b y u s i n g m o le c h ani c s and s e m i - e m p i r i c a l m e t h o d . f in a l ly , t h r o u g h s t a t i s t i c s and ana l y s e s , s o m e c h a r a c t e r s o f t h e c o m p o u n d a r e f o u n d . 2 . b y m o l e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o n s , t h e p r o p e rt i e s o f p - o c t a fl u o r o - m e s o - o c t a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e , w h i c h i s i n t o t h e d i ff e r e n t s o l v e n t s s u c h a s c h c 1 3 o r c c 1 4 , w e r e e v a l u a t e d . t h e p l a c e d i n fl u e n c eo f s o l v e n t s t o t h e c o m p o u n d w a s d i s c u s s e d and t h e r u l e o f t h e c h ang i n g o f c o m p o u n d s i n d i ff e r e n t s o l v e n t s w a s s u m m e d 叩 3 . t h e h o s t - g u e s t c o m p l e x o f fl - o c t a fl u o r o - m e s o - o c t a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e and t w o d ms o s w a s s t u d i e d t h r o u g h m o l e c u l a r d y n a m i c s m e t h o d , and s o m e r u l e w e r e e n l ig h t e d . i n a d d i t i o n , m o l e c u l a r d y n a m i c s m e t h o d h a v e b e e n a p p l i e d t o t h e s t u d i e s o f l3 - d e c a fl u o r o - m e s o - d e c a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e an d h - h e x a d e c a fl u o r o - m e s o - h e x a d e c a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e . t h e p r o p e r t i e s o f t h e s e c o m p o u n d s a s h o s t m o l e c u l a r w e r e d i s c o v e r e d p r e l i m i n a r i l y . k e y w o r d s : c o m p u t e r s i m u l a t i o n , p - o c t a fl u o r o - m e s o - o c t a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e , m o le c u l a r d y n a m i c s , mo l e c u l a r r e c o g n i t i o n , h o s t - g u e s t c o m p l e x , p - d e c a fl u o r o - m e s o - d e c a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e , s 一 h e x a d e c a fl u o r o - m e s o - h e x a d e c a m e t h y l c a l i x 4 p y r r o l e . 气 第一章 绪 论 第一章绪 论 1 . 1论文立题的背景和意义 什么是超分子化学?按l e h n的定义，就是 “ 分子组装和分子间键的化 学” ， 是“ c h e m i s t r y b e y o n d t h e m o 1 e c u 1 。 ” 1 1 1 。 它 是研究超分子或分子超结构的形成、 性质及应用的化学， 包括分子识别原理、 受 体化学、 分子自 组装、 超分子光化学、 超分子电化学、 超分子催化化学、 超分子 工程学、 超分子生命科学等。 涉及的学科有: 无机及配位化学、分析化学、 有机 化学、 物理化学、 生物化学以及材料科学等。 由于物理化学在化学学科中处在重 要地位， 在超分子化学领域， 要想达到通过分子识别和自 组装， 设计高性能的分 子器件和特殊材料; 通过对生命机体中某些特定过程的识别和组装的模拟， 来了 解生命过程的机理及模拟生物催化; 通过对主体的选择性识别的研究， 寻找更为 有效的分离技术等，必然要对超分子体系的物理化学性质进行仔细而深入的研 究。 进入90 年代以来， 越来越多的研究报道涉及到超分子物理化学。 随着研究 的深入， 超分子物理化学将会成为 超分子化学中 很重要的独立分支之一z 1 超分子有别于分子和配合物， 它是由主体和客体在满足能量匹配、 几何匹配 等条件下， 通过分子间非共价键力的作用， 缔合形成的具有某种特定功能和性质 的 超级分子。 或者说， 主客体间的关系必须满足fis。her 提出的“ 锁和钥 匙， 原理3 1 。 非共价键力一般为静电 力、范德华力和氢键力， 又称弱相互作用， 它是产生分子识别的关键， 对它的研究有着重要而深远的意义。 因为生物主客体 的许多特性， 生命机体的复杂结构及大多数生命过程等， 都离不开弱相互作用( 特 别是疏水作用和氢键作用) 。了解非共价键力的性质，我们不仅能设计出具有自 然界某些神奇性质的合成体系， 还能创造出在学术上和工业上都有很高价值的新 的 化学 产品 。bu。 k i n g h a m 4 1 阐 述了 主 客 体间 非 共 价 键 力的 性 质。 超分子化学是一门新兴的学科， 它是基于冠醚与穴状配体等大环配体的发展 以 及分子自 组装的研究和有机半导体， 导体的 研究进展而迅速发展起来的。 超分 子化学是研究超分子或分子超结构的形成、 性质及应用的化学， 包括分子识别原 理、受体化学、分子自 组装、超分子光化学、超分子电化学、超分子催化化学、 超分子工程学、 超分子生命科学等。 涉及的学科有: 无机及配位化学、 分析化学、 有机化学、物理化学、生物化学以及材料化学等。 第一章 绪 论 对应于由原子与原子用化学键联结起来而生成分子的分子化学， 超分子化学 则是分子与分子用分子间作用力联结起来而形成的分子聚集体， 简称超分子。 超 分子化学的兴起改变了化学家两个传统的观念: 一是弱相互作用力在一定条件下 可通过加合与协同转化为强的结合能; 二是通过组装过程可使超分子体系具有新 的察性。 分子不再是保持物性的 最小单位5 1 超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用， 是空间效应影响下 的范德华力、 静电力、: 相互作用、疏水相互作用等。分子识别是类似 “ 锁和钥 匙” 的分子间专一性结合， 可以理解为底物与给定受体间选择性键合， 是形成超 分子结构的基础6 j 超分子化合物不仅可以是通过分子间力结合在一起的主客体， 还可以是通过 共价键或配位键构成的三元体或四元等。 超分子与大分子之间的区别还可以从分 子内不同 组分间电子体系的相互作用程度来加以判断。 一般来说， 超分子体系中 各组分间的相互作用能较其他化合物有关的能量参数为低。对于超分子化合物， 超分子中每一组分之性质可以从孤立了的该组分或某种适当的模型分子的研究 中得知。 本文主要利用计算机模拟技术研究超分子化学第三代化合物p 位经修饰后 的 杯【 4 1 毗咯的结构与性 质的 关系，以 及溶 剂对主体分子结 构及性质的影响。 另 外， 我们还研究了杯 5 1 毗咯和杯 8 l 毗咯的结构与性质 超分子化学研究的意义、历史背景、研究现状及内 容 1 . 研究超分子化学的意义 超分子作用对于某些化学反应过程具有重要的意义， 特别是在生物体系， 相 当多的生物化学过程离不开这种作用， 如底物与蛋白质的作用， 酶催化过程， 遗 传 密 码的 复 制、 翻 译、 转 录 等以 及 抗 体与 抗 原的 作 用 等 6 随 着分 子 识 别 机制 的 深 入 研究 特别是随 着超分子 化学的 发 展 ,2 ， 它 在合 成化学、 生命化学、 材 料化学 及信息科学中起着愈来愈重要的作用。 分子识别是超分子化学运用于实际当中的 一个重要的方面。 人们也广义地把分子识别过程中相互作用的化学物种称为底物 和受体， 较小的分子称为底物， 较大的分子称为受体。 识别过程可能引起体系的 电学、 光学性质及构象的变化， 也可能引起化学性质的变化。 这些变化意味着化 第一章 绪 论 学信息的存储、 传递及处理。 因此， 分子识别在信息处理及传递， 分子及超分子 器 件制备 过 程中 起着重要 作用 17 1 近几年， 越来越多的科学工作者重视和研究穴状主体分子 ( 如: 环糊精、 杯 芳烃、杯砒咯) ，特别是它们有选择性地形成超分子这一 特性，使它们在分子化 学中，尤其是在目 前较热门的手性物质的分离中，发挥越来越重要的作用。 从超分子之类的新观点研究分子的合成和组装， 在我国日益受到重视， 化学 摸板有助于提供组装的物种和创造有序的组装， 但是其最大的困难在于克服热力 学第二定律所要求的无序。分子晶体、液晶、胶素、l b膜等都可以通过自 组装 合成制备。 分子自 组装遵循一些原则， 如: 分子形状要互补、 满足范德华力接触、 接触面积尽可能大、 形成多重或多种非共价键， 通过正的协同效应达到较强的结 合， 使结 构 稳 定并 克 服 不 利的 嫡效 应 18 1 在超分子化学领域， 可以 通过分子识别和自 组装， 设计高性能的分子器件和 特殊材料; 通过对生命机体中某些特定过程的识别和组装的模拟， 来了解生命过 程的极力及模拟生物催化: 通过对主体的选择性识别的研究， 寻找更为有效的分 离 技 术 等 12 1 。 显 然， 超 分 子 化 学的 研 究 对于 理 论 研究 和 实 践 应 用都 有 重 要的 意 义。 2 .超分子化学研究的历史背景 超分子的发现是偶然的。1 9 6 7 年，, c h a r l e s p e d e r s e n偶然发现了 冠醚，其后， 在落杉矶加州大学的 d o n a r d j .c r a m教授， 特别是法国 l o u i s p a s t e u r 大学的 j e a n - m a r i e l e h n 教授坚持努力下，十几年后，一个崭新的化学领域一 超分子化学 终于诞生了。由于在超分子化学方面的突出贡献，他们三人共同分享了1 9 8 7 年 诺贝尔化学奖。颁奖仪式上，l e h n 教授作了题为 “ 超分子化学一 范围和展望:分 子 、 超 分 子 和 分 子 器 件” 的 演 讲 19 1 ， 引 起了 科 学 家 的 极 大兴 趣。 从 此， 世 界 各国 相继投入人力、物力、财力进行这方面的研究。进入9 0 年代后，有关论文频频 发 表， 一 些专著也 相继问 世。 s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y 杂 志的 创立说明 超分子 化 学作为化学学科的一个独立的分支， 像高分子化学一样， 已 经得到世界各国化学 家的普遍认同。 由l e h n 教授主编的 超分子化学大全己 经出 版发行。 在国内， 南京大学、 吉林大学、 南开大学、 浙江大学等高校和一些科研机构已做了相当多 的工作，说明超分子化学正在迅猛发展，特别是 1 9 9 5 年召开的 “ 香山会议”对 国内 超分子 化学的 深入 研究 起了 积极的 推动作用 12 1 第一章 绪 论 8 0年代， 冠醚化学的发展提供了 不同 分子之间多 种作用力协同 作用的典型 实例， 协同作用的结果得到具有特异性能的实体。 如冠醚上多个氧原子与碱金属 阳离子之间的电子效应互补与尺寸匹配， 可形成专一性的识别与强力的结合。 现 己合成了上千种冠醚。从单环到多环、立体环。从小分子到大分子，包括冠醚、 穴醚、 球醚、 杯芳烃、冠形物等多样性的分子。 还研究了配体与受体的匹配， 分 子与电子的互补， 尺寸与形态的兼容， 共性与柔性的调节， 充分发挥了化学家的 创造力与想象力。 大环化学的研究倍受科学家们的重视， 主体分子的研究迅速发展， 从第一代 的冠醚发展到第二代的环糊精，到第三代的杯芳烃和杯毗咯:冠醚化合物 1 9 6 7 年首次报道i 10 1 ，至今对其合成、 结构、 性能 及应用的研究仍在继续; 环糊精化 学在过去二、三十年内获得了突飞猛进的发展。到目前为止， 已 有不少专著与若 干长篇综述、多于1 4 0 0 个以 上的专利和数以 千计的文章描述环糊精及其包合物 的 结 构、 性质和应用i i i 。 作为一 种简单的 有机 大分子 ， 环糊精具有与 范围 极其广 泛的各类客体， 比如有机分子、 无机离子、 配合物甚至惰性气体， 通过分子间相互 作用形 成主 一 客体; z i n k e 和z i e g l e : 在1 9 4 4 年首先合成并报道了 这类化合物。 后 来， g u t s c h e 及其他化学工作者为 杯芳 烃化学的 深入研究和不断发展作出了 积极 贡献。 杯芳烃这类大环化合物具有一个大小可以调节的疏水空腔及一系列有配位 活 性的 酚 经基， “ 杯” 的 上 张开 端 ) 、 下 ( 含 有经基的 收缩 端) 沿可 进行化学修饰， 即能引入诸如: 醋、酮、醚、胺、 硫代酞胺、梭酸等基团 使其成为更易接受“ 底 物” 的“ 多 足受体” ， 来与多 种离 子、 原 子( 团 ) 、 分 子形成包络化合 物， 从而在 模拟酶催化、 传输、分离与富集等许多方面具有广阔的应用前景。 因此， 杯芳烃 很快得到了化学家的极大关注; 杯砒咯从首次合成至今的一个多世纪中， 这类化 合物就没有引起人们的关注。直到最近，美国t e x a s 大学 s e s s l e : 研究小组在从 事阴离子识别体系研究时发现，这类经典分子可以作为阴离子和中性分子的受 体。根据对化合物晶体结构的研究，1 9 % 年他们把这类被 “ 错误” 命名的杯芳 烃 类 似 物 ，重 新 命 名 为“ 杯 毗 咯” ( c a l ix p y r r o l e s ) l i ， 以 唤 起 人 们 对 它 的 研 究 兴 趣。 在此之前， 瑞士学者f l o r i a n i 及其同 事己 对八乙 基杯 4 毗咯的过渡金属配合物化 学开展了深入研究， 这是目 前正从事杯毗咯相关体系研究的两个主要群体。 杯毗 咯是杯芳烃的类似物， 但由于其结构和性能方面更多的特异之处，将成为一类别 第一章 绪 论 具特色的新型杯状化合物。1 杯毗咯化合物的结构研究目 前合成的基本上都是 杯14 毗咯， 即环体中含4个毗咯单元。环四聚结构早在 1 916年由c h elint ze v 和 tr on ov提出 11 3 ， 当 时 是 基 于八甲 基 杯4 1 毗咯 被 铬酸 氧 化以 及 热 解 反 应的 产 物 作 出 的 推 测。 1 9 5 5 年r ot he m un d 和g ag 。 等 人 11 4 通 过 进一 步 实 验 研究 后 认 定， 分 子内的4 个桥碳原子中至少有3 个是通过毗咯的。 位联结， 但对第4 个桥碳原子 的 键合本质还存在疑问。1 9 64年c or 一 w in等l 5 ! 采用i h n m r方法研究了 八甲 基 杯14 毗咯， 结果表明其分子结构具有很好的对称性， 从而确证了fi s cher提出的 八甲基叶琳原化学结构。 最近才对这类化合物进行了晶体结构测定， 已见报道的 m e s o 一 八乙 基 杯4 口 比 咯 ，m e s o 一 八甲 基 杯4 毗咯 和m e s o 一 四 环己 基杯 4 口 比 咯 等 主 体 分子的晶体结构均显示了与杯芳烃类似的非平面柔性环四聚构象。 mes o 一 八甲基 杯14 0l七 咯分子的 几种构象形式 3 .超分子研究的现状及内容 自 从超分子化学这一概念提出后， 其研究目 标慢慢集中到几个方面: 研究分 子间作用力和分子间作用力的协同;其协同效应的前提是专一性空间位置与环 境、 专一性 空间位置与作用力的协同( 即分子识别与位点识别) ; 研究识别机理 与识别过程及其应用: 研究不同结构层次的组装过程及组装方法; 研究超分子体 系中结构与功能的关系。 多种多样功能中的核心功能是信息。 来恩将这类超分子 化学研究论题，即分子信号产生、 处理、 传输、 转换与探测的化学， 定义为信息 化学。 超分子体系是由分子内以及分子间的弱相互作用形成的， 它是一类普遍存在 的重要作用， 所以 对于弱相互作用的研究是目 前世界科学研究的热点之一1 6 一 ， 8 。 通 过弱 相互作用， 可以 形成 生 物超分 子体系 日 9 ， 如d n a的 双螺 旋结构， 酶与 底 物的复合物及药物与受体的复合物， d n a和r n a中碱基对的堆积作用及生物大 分子二级、 三级和四级结构的稳定作用， 蛋白 质的折叠， 酶与底物的识别及底物 对酶的激活作用， 药物和受体的结合等等。 近年来， 随着计算机科学的发展， 这 一领域能够在电子结构水平上进行计算和研究。 计算的体系由原来的小体系逐渐 转向大体系，计算的精度也在逐渐提高。 大环化合物的 研究也是目 前研究的热点 之一。 杯芳烃(c alix ar en e) 是一类由 取 代苯酚与甲 醛在碱催化作用下缩合而成的杯状大环化合物。 杯芳烃是一类环状低 第一章 绪 论 聚物，这类大环化合物是由多个苯酚单元通过亚甲基在酚轻基邻位相连而成的。 由 于 它 具 有: ( 1 ) 易于合成; ( 2 ) 上 缘和下缘易 于选择 性化学修饰; ( 3 ) 具有由 苯环 单元组成的 疏水空穴; ( 4 ) 既能配合识别离子型客体， 又能包含中性分子; ( 5 ) 具有 多种构象异构体。 所以以杯芳烃为理想的支撑平台合成了大量的具有预定结构的 主体分子， 如杯芳冠醚就属于其中的一种。 杯毗咯作为一类新型分子受体， 它的 化学研究刚刚起步， 许多研究工作尚待开展。 它在分子识别、 分子自 组装以及超 分子催化等方面具有的潜在研究和应用价值己开始引起更多人的研究兴趣。 手性 杯毗咯化合物的合成及应用也很快会成为研究的热点。从应用性看泪前杯 4 a e r 咯化合物己 被考虑用作阴离子的分离试剂， 如从废水溶液中 分离磷酸污染物2 0 1 而最近s e s s l e : 等人欲将m e s o 位或0 位官能 化的杯 4 毗咯( 如化合物1 2 b ) 通过与 胺丙 基硅胶的反应固载， 用作h p l c固定相， 在恒强度( i s o c h r a t i c ) 条件下， 对聚阴 离子混合体系进行分离。 在同样的实验条件下， 也可能实现对中性分子混合物分 离。 二.超分子化学的理论研究及其方法 由于超分子是由分子间作用力而不是正常的共价键结合的弱键复合体系， 因 此它一般包含两个或两个以上的子体系。 由于超分子比较大， 因此分子间的相互 作用的理论研究相对来说是比 较困难的， 有关分子间的弱相互作用的量子化学计 算研究还只能在较小体系上进行， 大分子体系中的弱相互作用的量子化学计算方 法还需要进一步发展。 在主体和客体结合时， 一般必须满足以下 互补匹配规则: ( 1 ) 几何形状互补匹 配; ( 2 ) 静电 相互 作用互补匹 配 ( 正电 荷对负电 荷 ) ; ( 3 ) 氢 键相互作用互补匹 配( 氢 键供体对应氢键受体) ; ( 4 ) 疏水相互作用互补匹配( 疏水区对应疏水区 ) 。 在满足 这些匹配原则的基础上，主客体之间发生弱相互作用而形成主体一 客体复合物， 由此也产生了一些模拟其相互作用的研究方法。 i . 分 子 对接方法 ( d o c k i n g ) 不管是对主体一 客体相互作用的理论计算， 还是根据超分子的结构进行新配体 的设计， 首先总是将客体对接到主 体的结合部位去，形成主 体- 客体复合物2 1 1 这一 过程称为分子对接( d o c k i n g ) 。 对接的目 的， 一是为进一步精确的理论计算提 第一章 绪 论 供了主 体 一 客体复合物的 初始构型;二是可以 根据匹配情况， 对客体进行结构修 饰， 提高主体和客体的亲和性。 这一方法在研究蛋白质的结构和药物分子设计的 研究中有着广泛和重要的应用。 z .分子力学计算方法 分子力学方法可用来定性和半定量的研究主体一 客体相互作用。 一般是将得到 的主体一 客体复合物用分子力学优化其结构，计算分子间的相互作用能，从而可 以判断不同客体与主体结合能与稳定性或活性之间的关系， 为进一步探索客体与 主体之间的相互作用提供依据。 3 .量子化学方法 就目前的计算条件和计算方法而言， 有关分子间弱相互作用的量子化学计算 研究还只能在较小体系上进行。 因此， 大分子体系中的弱相互作用的量子化学计 算方法还需要进一步发展。 用模型分子来代表大体系而进行量子化学研究是目 前 普遍采用的简化方法。 4 .量子化学与经验力场相结合的方法 由于在研究主体一 客体相互作用时， 有时要涉及到化学键的生成和断裂， 这必 须用量子化学的方法来模拟和计算。 但由于条件的限制， 目 前量子化学方法还不 能计算如酶、 核酸这么大的体系。 为克服这一困难， 近年来， 又发展了量子力学 与 经验力场相结合的方法q m i m m模型，以更好的 研究主体一 客体相互作用和溶 剂效应2 2 -3 2 有关超分子体系的理论研究和实验研究现已成为化学、生命科学、 材料科学 和信息 科学等 科学领 域的 研究 热点 3 3 。以 生命 科学为 例， d n a和r n a中 碱基 对的堆积作用及生物大分子二级、 三级和四级结构的稳定作用蛋白质的折叠， 酶 与底物的识别及底物对酶的激活作用， 药物和受体的结合等等， 都与这种相互作 用有关。 研究表明， 高精度量子化学方法可以 在电子结构的水平上准确地研究分 子间 相互作用。 因此， 分子间相互作用的量子化学研究可望在深层次的理论水平 上揭示基因的遗传和变异、 酶的催化作用以及药物及受体之间的作用等生命现象 的本质。 三研究的意义 第一章 绪 论 在过去的几十年里， 超分子化学有了长足的发展。 超分子化学的研究在生命 科学、 材料科学等等领域起到了重要的作用。 在本论文当中， 我们应用现代分子 模 拟技术 和化学计算方法， 对13 - 八氟 - m e s 。 一 八甲 基 杯【 4 毗咯的主 体构象在真空 及溶剂中结构进行研究， 并就其与客体分子的相互作用进行计算和讨论。 另外我 们还就0 一 十氟一 m e s 。 一 十甲 基杯 5 扒七 咯和卜十六氟- m e s 。 一 十六甲 基杯 8 毗咯的结 构和性质进行了初步的计算和讨论。 我们的研究目的在于通过对杯毗咯系列分子 的结构和性质的计算， 给设计和合成新型的功能杯毗咯分子的实验研究提供有益 的启示和帮助，因此我们的研究有着很重要的理论意义和实践指导意义。 1 . 2论文所应用的计算化学及分子模拟方法 大多 数的 分 子模拟方法一 般涉 及三个 方面的 研究内 容 (3 4 1 。 一是 选择能 够反 应 体系的分子内以 及分子间相互作用的计算模型， 最常用的计算模型方法为分子力 学和量子化学方法， 这些方法能够计算体系中分子的不同构象的能量， 并且能够 测定随着体系中的原子和分子的位置的改变， 能量将如何的变化。 二是指分子模 拟研究本身的计算，如能量的极小 化( e n e r g y m i n i m i z a t i o n ) ，分子动力学方法 ( m o l e c u l a r d y n a m i c s ) ，蒙特一 卡洛方法( m o n t e c a r lo s i m u l a t i o n ) 以及构象搜索 ( c o n f o r m a t io n a l s e a r c h ) 等方法。 三是计算结果的分析， 这种分析不仅包括计算的 分子性质的讨论， 而且还包括模拟计算结果的正确与否的检验。 依据以上的三个 方面的研究内容，我们主要采用了如下一些分子模拟的研究方法: 一 分 子 力 学 方 法 (m o le c u la r m e c h a n ic s ) 13 5 -3 8 1 e 随 着计算机科学的迅速发展，分子力学( m m ) ，是当前化学家经常使用的 研 究手段， 也是分子模拟方法的重要组成部分。 其基本用途是寻求分子的平衡构型 及能量。 它是分子中原子间存在化学键， 非键原子之间有范德华及静电相互作用 这一经典理论的自 然扩展。 1 . 基本思想 分子力学的基本思想可以 追溯到1 9 3 0 年安德鲁斯( d . h . a n d r e w s ) 提出的经 典力 学 模型13 9 1 : 分子中的 化学键具 有“ 自 然” 键长， 键角， 并由 这些 键长和键 角调节构象， 给出核位置的最佳分布， 即 分子的 平衡构型。 基于b o rn - o p p e n h e i m e r 第一章 绪 论 近似， 分子力学计算不显含对电子的处理。 简单说来， 分子力学着眼于核的运动， 把化学键形成的力场类比于弹簧， 即将分子内个原子之间的键合作用看作是符合 h o o k e 定律的谐振运动。 最简单的分子力学的力场函数可用下式表示: e , 一 艺e b + 艺e e + 艺e fo r + 艺e v d w + 艺e d ip + 艺e+ 二 1 . 1 其 中 : ; 一 合 k (， 一 、 ) e h 是键伸缩能，k 是键伸缩力常数，b 是键长， e 。 一 合 一 h (“ 一 bo ) t 1 . 2 b 。 是无张力的理想键长。 1 . 3 凡是 键角 弯曲 能， h是 键角曲 变力 常 数，b 是 键角，b 。 是无 张 力的 理 想 键 e _ = 艺h m 1 + s c o s ( n o ) 1 . 4 e ,o ; 是二 面 角 扭曲 能， h o 是 二面 角 旋 转能 垒， o re 相 邻键 连的 四 个原 子 所构 成的二面角。 e ve ， 一 : ( r 0 ) ， 一 2 ( r o ) 6 r r 1 . 5 e 、 二 是分子内 原子间 的范 德华 ( v a n d e r w a a l s ) 相互作用能， ; 是两原子之间的 距离， 是v d w相互作用的热阱r m e 、 一 箫(cosx - 3 cos a ，一， 1 . 6 e d ,p 是 偶 极 相 互 作 用 ， p、 k ， 是 相 互 作 用 的 二 偶 极 的 偶 极 矩， d 是 介 电 常 数 ， 是 二 偶 极 中 点 之 间 的 距 离 ， : 是 i ， 和巧之 间 的 夹 角 ， a ， 和a ， 分 别 是 p和 从同 它 们 中 点 连 线 间 的 夹 角 。 当 各 原 子的 电 荷己 知 时 ， 使 用电 荷 相 互 作 用 来 代 替偶极相互作用: e q = 9 , 9 2 l d r 1 .7 e 。 是电 荷9 、 和9 z 二 点 电 荷的 相 互 作 用 能 ， r 是9 . 和9 ， 之间 的 距 离 ， d 是 介电 常 第一章 绪 论 数。 在有些力场中， 专门用一个函数描述氢键中氢原子和受体原子之间的相互作 用。常用的函数形式是: e 1 z 1 o 1 . s 1 r . r v 2 .分子力场的参数化 在选定了分子力场的解析形式后， 接下来的问题是确定参数，即力场的参数 化。以前都是通过拟合实验数据来优化参数。 所以往往把分子力学称为“ 经验力 场计 算” ( e m p i r i c a l f o r c e f i e l d c a l c u l a t i o n ) 。 拟合 所需的实 验数据包括 jl何结 构， 构象能， 生成热， 光谱数据等。 分子内相互作用参数的拟合主要采用分子结构方 面的实验数据。 常用的实验方法有用于气体检测的微波谱法，电子衍射法; 用于 晶体检测 x 一 射线衍射，中子散射，红外及拉曼光谱分析;扭转位能参数则来自 于n m r谱带和驰豫时间; 构象能可以从光谱和热化学数据得到; 非键参数主 要 由晶格参数和液体的物理性质数据拟合得到。 拟合的方法常用的有两种， 一种是 最小二乘法， 另一种是试探法。 可用的实验数据越多， 用试探法优化参数越困难， 而最小二乘法显得更实用。在实际应用中， 往往把两种方法结合起来。 3 .常用的分子力场 目 前国际上流行的分子力场大致可以分为三大类: 第一类: 特点是函数形式简单; 适用的范围广; 能比较合理地预测分子结构 根据某些规则使力场参数化。属于这一类的力场有: e x t e n s ib le s y s t e m a t ic f o r c e f i e ld ( 简 称e s f f ) c o n s i s t e n t v a l e n c e f o r c e f i e l d ( 简称c v f f ) 第二类:函数形式简单; 化力场参数的方法比较多， 应用的范围比 较特定( 大部分适合于生物分子) ; 优 结果也比较好:能合理地预测分子结构，构象性质， 凝聚态性质。属于这类的力场有: amber f o r c e f i e l d op l s j ambe r f o r c e f i e l d c har mm f o r c e f i e l d 第三类: 这一力场的共同特点是函数形式较复杂; 适用范围宽， 优化得到的 第一章 绪 论 力场参数比较合理; 能比 较好地预测分子结构， 振动频率， 构象性质。 属于这类 力场的有: c o n s i s t e n t f o r c e f i e l d mm3 / mm4 ( a l l i n g e r e t .a l ) mmf f 表 1 .2 中列出了几种力场以及适用的体系。 表1 .2 几种力场以 及适用的体系。 力场 mm2 / mm3 amb e r charmn t r i p o s ye t i un i v e r s a l d r e i d i n g gro mos p ol ar i s es f f cvf f 适用体系 有机小分子 生物大分子 生物大分子 有机小分子及生物大分子 含金属的生物小分子 主族元素化合物，有机分子，金属配合物 主族元素小分子 生物大分子 生物大分子 一般分子 一般分子 4 .分子力学的特点 量子力学从头算的计算量随基函数数目的四次方递增， 半经验方法的计算量 随基函数数目 的三次方递增， 而分子力学的计算量则仅与分子中原子数目的平方 成正比。 因此， 分子力学己成当前研究大分子体系， 特别是生物分子体系的有效 可行的研究手段，己经被广泛用于药物分子设计， 酶的设计， 生物大分子， 包括 蛋白质和核酸的分子结构、 构象平衡与转变的研究。 近年来分子力学方法也受到 高分子领域研究者的青睐。 在本论文当中，由于我们所研究的超分子体系 一环糊精和杯芳烃都比 较大， 应用半经验量子化学方法以 及从头算法优化分子的几何构型比较困难， 因而在我 堑里些竺二一一 们的 计 算中 主 要 采 用分 子 力学 的 方 法 进 行 构型 优 化。 二 、 量 子 化 学方 法 ( q u a n t u mm e c h a n ic s ) 4 0 一4 3 1 .分子轨道理论 分子轨道理论认为电子轨道不是定域在各原子上，而是扩展在整个分子中。 为了 求得多电 子体系的能量，必须求解体系定 态的schr 6 d inger方程: 了 尹 p =尸 i j【 1 .9 其中h为哈密顿算符，甲为波函数或本征函数，e为体系的总能量或本征 值。 在具体应用量子力学处理化学问题时， 形成量子化学， 它在物理模型上有三 个基本近似: 非相对论近似， b o m 一 o p penhei m er近似( 即绝热近似) ， 单电子近似 ( 即 轨 道近 似) 。 在三 个基本 近似下， 求 解sc hr 6 di n ger 方程时， 分子轨道理论计 算 依 据三个基 本方程: h artr e e 方程、 h artr e e 一 f o c k 方 程( h f ) 、 h artre e 一 f o c k 一 r o o t h aan 方程。 在三个基本近似下， 使用单slat e r 行列式波函数， 推导电子总能量的表示式， 以分子轨道正交归一为约束条件， 对总能量变分， 导出满足能量极小的方程， 就 是h f方程，它是分子轨道理论中最基本的方程。ro。 山 a a ll 方程是roo th aan 在 h a r t r e e 一 fock理论基础上，引 进原子轨道线性组合成分子轨道(lc a o 一 m o)方法， 使h f 方程从微分积分方程组化为线性代数方程， 只对分子轨道的系数变分， 求 解过程大大简化，因此是分子轨道理论实际计算的基本方程。 基于量子化学的近代化学键理论包括分子轨道理论、价键理论与配位场理 论。目 前，在实际中广泛用到的是基于自 洽场方法求解 h a r t r e e 一 f ock 一 roo th a an 方程的分子轨道理论。 2 .半经验的量子化学方法 在求解r ooth a an方程时， 会遇到两 类积分: 。 一 扭()自 ， 叭 (” : 1 1 . 1 0 1 (rs l u ) 二 f 丛 处 些 独 坦 竺 卫六 ，dtz1 1 ， 1 1 它包括单中心、双中心、三中心和四中心积分，在应用 s t o函数的情况下， 第一章 绪 论 计算这些多中心积分是十分困难。 所以， 为了适应实际工作的需要， 对上述部分 积分用经验参数的计算拟合， 因而叫做半经验方法， 由此也形成了一个庞大的半 经验量子化学计算方法 。根据对微 分重叠( d i ff e r e n t i a l o v e r l a p d o ) q / , v d z = s i v . v/ : 不同 程 度 的 忽 略 ， 构 成了 一 系 列 忽 略 微 分 重 叠 计 算 方 法: 全略微分重叠 c n d o / 2 ( c o m p l e t e n e g l e c t o f d i ff e r e n t i a l o v e r l a p ) 间略微分重叠 i n d o ( i n t e r m e d i a t e n e g l e c t o f d o ) 改进的间略微分重叠 mi n d o / 3 ( mo d i f i e d i n d o ) 忽略双原子微分重叠 n d d o ( n e g l e c t o f d i a t o m i c d o ) 改进的忽略双原子微分重叠 mn d o ( mo d i f ie d n d d o ) a m1 ( a u s t i n m o d e l l ) s a mi ( s e m i- a b i n i t i o m e t h o d 1 ) p m 3 ( p a r a m e t e r m e t h o d 3 ) z i n d o ( z e rn e r i n d o ) 可算过 渡金属 还有只用于共扼体系的p p p ( p a r r - p a r s i e r - p o p l e ) 法以 及x a 一多重散射， 离散 变分方法，可用于簇合物，固体，有机分子分子的计算。 3 . a m1 方法 在论文中主要用到的是m o p a c ( 7 .0 ) 软件包中所包含的a m 1 方法。 因为它们 是处理非金属体系最好的半经验方法，由 于其各具特色而被广泛地接纳与应用。 a m i ( a u s t i n m o d e l 1 ) 和p m 3 ( p a r a m e t r i c m e t h o d 3 ) 与m n d o方法的模型完全 相同， 都是在n d d o的基础上， 采取和mn d o方法相同的近似处理， 又进一步 对m n d o进行了修正和发展。a mi 方法是由m. j . s . d e w a r 及其合作者发展起 来的， 是目 前半经验量子化学计算中最精确的一种方法， 计算得出的结果， 如分 子几何构型、 生成热、 偶极矩、 离解能、电子亲和势等数值都和实验结果符合得 很好。 可以 较准确地处理大部分化学问题， 能进行氢键的计算， 并较精确预测许 多化学反应的活化能垒和化合物的生成热，它对分子体系生成热的预测误差比 m n d o方法约少4 0 %. 4 .分子结构模型 在现代分子结构模型中， 基本组成是原子核和电子， 分子可以看承是一些相 互作用的原子核和电子的集合体。应用量子力学描述分子体系时，通常是在 o p p e n h e i m e r 近似下， 将电 子的运动看作是在固定核场中的 运动， 且分子结构由 第一章 绪 论 其平衡核构型表征， 体系由其波函 数来描述。 通过分子体系的波函 数可以 对分子 体系的许多性质进行计算， 这克服了经典模型