（物理化学专业论文）理论研究取代基对nh…oc氢键三聚体中氢键强度的影响.pdf

_ 。 j 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 氢键在化学、物理学和生命科学等领域中发挥着重要的作用，对其本质、结构和能 量进行研究非常重要。在各种类型氢键中n - h ”伊c 型氢键在蛋白质、核酸等生物分子 体系中起着尤为重要的作用。研究各种取代基、氢键协同效应等对n h o 型氢键强 度的影响规律对于研究生命体系中的氢键相互作用有着重要意义。 本论文使用m p 2 方法研究了氢键三聚体中n h o = c 氢键强度，探讨了氢键受体 分子中不同取代基对n h o = c 氢键强度的影响。研究表明，不同取代基对氢键三聚体 中n h o = c 氢键强度的影响是不同的：取代基为供电子基团时，氢键键长r ( h o ) 缩 短，氢键强度增强：取代基为吸电子基团时，氢键键长r ( h o ) 伸长，氢键强度减弱自 然键轨道( n b o ) 分析表明，n h o = c 氢键强度越强，氢键中氢原子的电荷越正，氧原 子的电荷越负，质子供体和受体分子间的电荷转移越多。供电子基团使n h o = c 氢键 中氧原子的孤对电子n ( o ) 对n - h 的反键轨道。宰( n h ) 的二阶相互作用稳定化能增加，吸 电子基团使n - h o = c 氢键中氧原子的孤对电子n ( o ) 对n h 的反键轨道。事( n h ) 的二阶 相互作用稳定化能减小。取代基对与其相近的n h o = c 氢键影响更大。 关键词：氢键三聚体：取代基；氢键强度；自然键轨道( n b o ) 分析 u 理论研究取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响 t h e o r e t i c a ls t u d yo nt h ee f f e c t so fs u b s t i t u e n t so nt h eh y d r o g e n b o n d i n g s t r e n g t hi nn h o = ch y d r o g e n b o n dt r i m e r s a b s tr a o t h y d r o g e nb o n d sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc h e m i s t r y , p h y s i c a la n dl i f es c i e n c ea r e a , s o t h er e s e a r c hf o ri t se s s e n c e ，s t r u c t u r ea n de n e r g yi sd e f i n i t e l yc r u c i a l i ns e r i e so f e v e r yk i n do f h y d r o g e nb o n d ，t h en - h - o = ch y d r o g e nb o n di so fg r e a ts i g n i f i c a n c eo np r o t e i n , n u c l e i ca c i d d n sa n yo t h e rb i o l o g ym o l e c u l es y s t e m t h er e s e a r c ht h a ts u b s t i t u e n t s ，h y d r o g e nc o o p e r a t i v e e f f e c ta n da n yo t h e r si n f l u e n c eo nt h eh y d r o g e nb o n d i n gs t r e n g t ho fn - h o = ch y d r o g e n b o n di sf a r - r e a c h i n gf o r t h eh y d r o g e nb o n di n t e r a c t i o n so nl i f es y s t e m s t h e o r e t i c a lc a l c d a t i o n so nas e r i e so ft h en h o = ch y d r o g e nb o n dt r i m e r sw e r e c a r r i e do u tu s i n gt h em p 2m e t h o da n dt h ee f f e c t so fs u b s t i t u e n t si nt h eh y d r o g e nb o n dd o n o r m o l e c u l eo nt h eh y d r o g e nb o n ds t r e n g t hw e r et h e r e f o r ee x p l o r e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o w t h a tt h ee l e c t r o nd o n a t i n gg r o u p ss h o r t e nt h eh od i s t a n c ea n ds t r e n g t h e nt h en - h o - - c h y d r o g e nb o n dw h e r e a st h ee l e c t r o nw i t h d r a w i n gg r o u p sl e n g t h e nt h eh od i s t a n c ea n d w e a k e nt h en - h o - q 2h y d r o g e nb o n d t h en a t u r a lb o n do r b i t a la n a l y s i sf u r t h e ri n d i c a t et h a t t h es t r o n g e rt h en - h o - - c h y d r o g e nb o n di s ，t h em o r ep o s i t i v ec h a r g et h eh a t o mp o s s e s s e s a n dt h em o r en e g a t i v ec h a r g et h e0a t o mp o s s e s s e si nt h en - h o = ch y d r o g e nb o n d ，t h e m o r ec h a r g et r a n s f e rt a k ep l a c e sb e t w e e nt h eh y d r o g e nb o n dd o n o ra n da c c e p t o rm o l e c u l e s ， a n dt h es t r o n g e rt h es e c o n d - o r d e ri n t e r a c t i o ne n e r g yb e c o m e sb e t w e e nt h eo x y g e nl o n ep a i r a n dt h en - ha n t i b o n d i n go r b i t a l t h en - h o = ch y d r o g e nb o n d ，c l o s e rt ot h es u b s t i m e n tw i l l b ea f f e c t e dm o r eg r e a t l y k e yw o r d s ：h y d r o g e nb o n dt r i m e r s ；s u b s t i t u e n t s ；h y d r o g e nb o n d i n gs t r e n g t h ；n a t u r a l b o n do r b i t a la n a l y s i s i i 辽宁师范大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景：l 1 1 1 氢键的发展史l 1 1 2 氢键的本质2 1 1 3 氢键的类型3 1 1 4 氢键在生物学领域的重要意义4 1 2 研究现状5 1 2 1 氢键的研究方法5 1 2 2 研究现状6 1 3 研究内容的确定6 第二章取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响8 2 1 结构简介8 2 2 计算方法8 2 3 结果与讨论9 2 3 1r 取代基取代氢键质子受体中的h 1 原子对氢键的影响一9 2 3 1 1 几何构型9 2 3 1 2 氢键能量1 l 2 3 1 3 自然键轨道( n b o ) 分析1 2 2 3 2 不同取代基取代氢键质子受体中的h 2 原子对氢键的影响，1 5 2 3 2 1 几何构型1 5 2 3 2 2 氢键能量1 6 2 3 2 3 自然键轨道( n b o ) 分析1 7 结j 沧2 0 参考文献2 1 攻读硕士学位期间发表学术论文情况2 5 致 射2 6 ， 一 d t。l 辽宁师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 地球上的生命都可以看作是超分子化学物质，超分子化学是基于分子间的非共价键 相互作用而形成的分子聚集体的化学，话句话说，分子间的相互作用是超分子化学的核 心，在超分子化学中，不同类型的分子间相互作用是可以区分的，根据它们不同的强弱 程度、取向以及对距离和角度的依赖程度，可以分为：金属离子的配位键、氢键、肛兀 堆积作用、静电作用和疏水作用等【1 】。类似于氢键这样的一些弱相互作用如静电作用和 空间位阻在化学、物理，尤其是生物学科中如蛋白质和多肽构象中都扮演着重要的角色， 人们比较多的从是氢键和空间位阻角度去解释多肽的构象及其稳定性。弱相互作用在生 物分子识别、离子载体的选择性、超分子的自组装、分子簇的形成等方面都起着决定性 作用。氢键作用就是人们所研究的最早的分子间弱相互作用之一【2 】。 氢键是分子间的弱相互作用，它比共价键、离子键等这样的强化学键作用弱很多， 但却也导致了许多生物现象的发生，如蛋白质分子中的a 螺旋、d 折叠以及核酸中碱基对 之间的氢键相互作用等。在生命科学领域中，氢键起着至关重要的作用：在蛋白质的多 肽分子中，氢键是维持蛋白质二级结构和蛋白质三级结构保持稳定的主要作用力。此外， 在另一类重要的生物大分子核酸分子中，也是由于氢键的作用使腺嘌呤、鸟嘌呤、尿嘧 啶和胸腺嘧啶这四种碱基对之间形成特异的配对关系，腺嘌呤、鸟嘌呤、尿嘧啶和胸腺 嘧啶是d n a 的四个核酸，也是组成d n a 的基本原料，在基因表达和基因复制中起着 主要作用从而使核酸分子中包含遗传信息并参与遗传信息在细胞内的表达，这样就可 以促成并控制代谢过程，所以，氢键在基因的表达和控制中起着重要的作用【3 1 ，可以说， 在诸多的相互作用中，对于氢键的研究很重要。 1 1 1 氢键的发展史 人们很早就发现了氢键这一分子间作用力。2 0 世纪初期，就已经有很多关于氢键的 相关文献报道。分子间作用包括强相互作用和弱相互作用，氢键属于弱相互作用。其实 早在1 8 9 2 年，已经发现含有羟基o h 的分子之间存在着一种弱的相互作用力，但n e r n s t 当时并没有给出明确的解释，随着科学研究的发展，直到1 9 1 2 年，m o o r e 和w i n m i l l 4 1 定 义了分子间氢键和分子内氢键。分子内氢键是指同一个分子中的氢键作用，分子间氢键 是指不同分子间的作用，如碱基之间的作用就是分子问氢键作用。到1 9 2 0 年，l a t i m e r 和r o d e b u s h l 5 研究又指出：一个水分子中的氧原子可以与另外一个水分子中的氢原子相 结合，这个氢原子又与这个水分子中的氧原子相结合，这样氢原子在这两个八隅体之间 理论研究取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响 形成了一种弱的相互作用分子间氢键。1 9 3 5 年，m e g a “6 j 提出 h y d r o g e nb o n d s ”来区别 o h o h 氢键和o h o - - c 两种氢键。随着量子力学的发展，1 9 3 9 年，p a u l m g i n 明确 的提出了氢键的概念，四十年的分子生物学研究表明：氢键的存在和重要作用是不可替 代的。氢键就是在一定条件下，一个氢原子不是被另外一个原子所吸引，而是被另外两 个原子所吸引而形成的一种化学键。从此之后氢键的概念逐渐被人们所接受，并在2 0 世纪6 0 年代达到成熟阶段，氢键的性质决定了它在生物学上的特殊意义。 1 1 2 氢键的本质 对于氢键的本质目前主要集中在究竟是静电作用还是共价键作用上。这是因为氢键 的能量范围从lk c a l m o l 到4 0k c a l m o l ，作用范围十分广泛。氢键的形成主要是由于当 h 原子与电负性较大的a 原子形成具有极性的共价键时，由于a 原子的吸电子效应使 h 原子核裸露出来，a h 作为质子供体基团和受体基团b 相互作用形成氢键。 作为氢键定义的提出者之一，p a u l i n g t 7 i , 队为氢键主要是静电作用的结果，于是 b u c k i n g h a m , s f o w l e r 8 。9 】等人利用静电模型预测了一些简单的氢键体系，d y k s t r a l l 0 】等人 也认为在氢键相互作用中静电作用占主要部分。然而还有一些研究者认为氢键中电子的 共价作用也是不能忽略的而i s a a c s ，d a v i d s o n ，p e n d f i s 1 6 1 3 1 等人则认为氢键的本质是共 价键。d a n n e n b e r g 1 4 】通过从头计算法计算氢键的强度指出：静电力、色散力等各种作用 在氢键中所占的比例具体是怎样的还并不清楚。目前通常认为强氢键主要具有共价键本 质，中等强度和弱氢键则主要以静电作用为主。如表1 1 所示： 辽宁师范大学硕士学位论文 表1 1 强氢键，中等强度氨键以及弱氢键的一些性质 t a b l e 1 1t h ep r o p e r t i e so fs t r o n gh y d r o g e nb o n d s ，m o d e r a t eh y d r o g e nb o n d sa n dw e a kh y d r o g e n b o n d s 1 1 3 氢键的类型 。 一。 ： ：。 氢键根据其强度，质子供体、受体位置等性质可以有不同分类方法。j e f f r e y i l 5 l 根据、 氢键相互作用强度程度将氢键分为强氢键、中等强度氢键和弱氢键三类，如表1 1 中所示，- 。 其能量分别为：强氢键的能量一般为1 5 4 0k c a l m o l ，一般以缺电子基团为质子供体基 +弋十 一 团，以多电子基团作为质子受体基团而形成，例如一刊夕一点一一一“飞等，所以 强氢键一般也称为离子型氢键；中等强度氢键能量一般在4 1 5k c a l m o l 之间，由中性原 o 子基团构成，如一夕叫岫，。唧弋等，作为最普遍的氢键类型存在于生物体 系中。而弱氢键能量一般只有l 一4k c a l m o l ，大多数由h 原子与电负性较弱的原子相连， 如c _ h 键就是最常见的质子供体，质子受体中只有兀电子，如不饱和的双键、三键和芳 环等也是常见的弱氢键质子受体。 按照氢键相互作用体系中质子供体和质子受体位置的不同，氢键也可以分为分子内 氢键和分子间氢键：分子间氢键：形成氢键的质子供体与质子受体来自不同的分子；分 子内氢键：形成氢键的质子供体与质子受体来自相同的分子在这里需要特别指出的是， 大多数能够形成氢键的化合物中，既存在分子间氢键，也存在分子内氢键分子间氢键又 可以分为同种分子间氢键和异种分子间氢键，所谓同种分子间氢键即相同分子形成的氢 理论研究取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响 键，最简单的体系为二聚体分子间氢键，如甲酰胺二聚体；复杂一些的为多聚体分子间 氢键如本文所研究的三聚体分子间氢键等；异种分子间氢键如氨水中n h 3 o h 2 形成的氢 键。除此此外，氢键又可以分为同核氢键和异核氢键，其根据为与h 原子相连的原子是 否与受体原子相同，目前关于同核氢键和异核氢键的报道也有很多，氢键种类繁多。 1 1 4 氢键在生物学领域的重要意义 p a u l i n g 曾经有过一个天才的预言：“我相信，当结构化学方法进一步被应用到生理 问题上时，人们将会发现氢键在生理学上的意义比其他任何一个结构特点都大。”【1 6 】大 量研究已经表明，氢键在生物的生命活动过程中确实起着至关重要的作用。氢键在化学、 物理学和生物学等领域中发挥着重要的作用，对其本质、结构和能量进行研究非常重要 0 7 2 0 由于氢键键能比较低，形成和破坏都很容易，因此在生物分子体系扮演了重要的角 色。 蛋白质是构成生命体最重要的有机营养物质之一，由一条或多条肽链相互作用而 成。蛋白质一般分为一至四级结构；它能够为人体提供能量，在人体中能起多种作用，。 蛋白质分子是由多肽链组成，多肽链由氨基酸首尾相连组成，许多大分子如蛋白质的空 间构象主要都是由氢键来稳定的。蛋白质具有特定的构象，通常用蛋白质的二级结构来 描述。蛋白质的二级结构就是指多肽链主链原子的局部空间排布，如蛋白质中的a 螺 旋结构、和b 折叠结构等构象。a 螺旋结构是典型的蛋白质二级结构，在q 螺旋结构 中，氨基酸残基每隔3 6 个氨基酸残基螺旋上升一圈，沿着轴线方向每个螺旋长0 5 4 n m 。 q 螺旋的主要稳定因素就是第i 个氨基酸残基上酰胺基团- n h 和与它相邻的第i + 4 个氨 基酸残基上的酰胺基团的= c o 所形成的一个十三元环的n - h o = c 分子内氢键。由于 a 螺旋中每一个氨基酸残基都与另外两个氨基酸残基形成氢键，所以q 螺旋结构是相 当稳定的。1 3 折叠结构由两段或两段以上的肽链通过肽链之间的氢键所形成的片状结 构，是存在于蛋白质二级结构中的另一个周期性结构的重复单元，在两个邻近的肽链间 形成分子间氢键而稳定，分为平行和反平行两种。另外，除了蛋白质二级结构，三级结 构则更为复杂。 核酸是与蛋白质同样最重要的生物大分子，1 9 5 3 年，j w a t s o n 和f c r i c k 提出 了d n a 的双螺旋结构。按照其结构中所含戊糖种类的不同，可以将核酸分为脱氧核糖核 酸( d n a ) 和核糖核酸( r n a ) 这样两大类。脱氧核糖核酸( d n a ) 是生命体的遗传物质， w a t s o n 和c r i c k 提出的d n a 双螺旋结构模型是生物承载和传递信息的载体。它的发现 揭开了分子生物学的帷幕，这是一个具有历史性的里程碑。在这个双螺旋结构模型中， 氢键起着极其重要的作用。天然的r n a 的二级结构中，只有一部分片断会具有与d n a 一4 一 辽宁师范大学硕士学位论文 类似的双螺旋模型结构。r n a 通过自身的回折使可以配对的碱基( 腺嘌呤与胞嘧啶，鸟 嘌呤与尿嘧啶) 相遇并形成氢键，各种氨基酸都有r n a ，它能够知道多肽链或蛋白质的 合成进而形成双螺旋结构。 氢键存在于核酸分子中，以其键能低、生成与破坏均较容易的特点占据着重要的意 义，也有着不可替代的作用，并将越来越多的受到人们的重视。；i 1 2 研究现状 ， ， 二 4，。 1 2 1 氢键的研究方法 ”。 ， 氢键事实上是质子给体与质子受体之间的相互作用，氢键的广泛存在使实验手段和 理论方法对其的研究提出了更高的要求。 首先，我们可以采用统计研究方法：c a m b r i d g es t r u c t u r a ld a t a b a s e ( c s d ) 是晶体结构 分析的重要依据。c s d 把人们从繁琐的人工查阅原始文献中解放出来，可以很方便的存 储和获取晶体结构信息。如今，c s d 已经含有超过1 6 0 ，0 0 0 个表值和一个藏量蜃夹的掣：程。麓 精确结晶学数据库，c s d 在晶体工程方面的作用体现在晶体结构分析上的统计意义【i 刀， ，每 c s d 表值将对我们研究各种类型氢键提供极大的方便。 谴j ，：毒琏：_ 其次，我们可以通过实验研究法研究氢键：红外光谱一直是最重要的光谱学手段之? 蟹 。 一，为科研工作提供了大量可靠的信息拉曼光谱也经常与红外光谱同时运用并互为补。：i 焉o i 充。在低频振动光谱区域，拉曼光谱比红外光谱更有优势。x - 射线衍射通常不能准确测- _ ：? 定氢原子位置，通常所说的测不准原理就是利用x - 射线衍射，而中子衍射可以测定氢 ， 原子位置，但氢键体系的中子衍射数据非常有限。核磁共振n m r 谱也是最广泛应用的 结构分析技术之一。近年来，随着脉冲傅立叶变换n m r 技术的发展，同时也大大促进 了n m r 在氢键研究中的应用。! 当然，我们也可以通过理论研究方法研究氢键的相互作用。 目前研究氢键体系的理论方法很多，包括量子化学中的从头计算、半经验方法、密 度泛函理论( d f t ) 和分子力学方法等，都已经被广泛应用。 理论计算方法研究氢键相比实验研究方法有一定的优势。首先，实验大多数是在溶 液或晶体环境中对氢键进行研究，这样溶剂等环境因素对氢键作用的影响就很难忽略掉 而理论计算方法则可以研究真空中氢键的性质，可以排除环境等因素的影响。其次，理 论化学研究方法依靠不断提高计算机硬件和有效的算法便可以很直接准确的计算出氢 键能量，但光谱数据却很难提供确切相互作用能量，但是它能给出平衡状态时的几何结 构。同时理论方法还有一个非常重要的功能是实验方法所不可媲美的，就是可以把氢键 相互作用分割成几种具有物理意义的项，这样就能够给氢键的本质提供了一些参考。例 理论研究取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响 如将氢键分解为电子相关能，色散能，交换排斥能，电荷转移等作用项加以研究。再次， 实验一般只能研究处于稳定状态下的氢键的性质，很难研究其形成过程中体系的能量变 化等，而理论计算可以描绘出全部的势能面，通过势能面可以直观地研究在形成氢键过 程中电子的重新排布，以及精确的质子位移等。 1 2 2 研究现状 在过去的几十年中，人们对分子间相互作用的研究得到了快速的发展。氢键相互作 用作为人们所研究的最早的分子间弱相互作用，是分子间相互作用研究的一个重要组成 的部分 1 8 - 2 0 】。到目前为止，许多人致力于计算分子间氢键键能。d a n n e n b e r g 等【2 1 】计算研 究了a t 和g - c 两组碱基对中氢键的协同效应。d a n n e n b e r g 等【2 2 】曾使用b 3 l y p 方法研究 链状2 1 5 个甲酰胺多聚体分子中的氢键强度，结果表明其键能是甲酰胺二聚体中氢键 键能的2 倍左右，说明氢键具有很强的协同效应。s c h e i n e r 等人 2 3 - 2 5 研究多肽链之间n h o 和c h o 的氢键强度和协同效应。d i x o n 等人【2 6 】估算了甲酰胺和- 甲基乙酰胺 。 二聚体中n h o - c 和c h o = c 分子间氢键键能。s i ：h e f f l e r 等人【27 】利用d f t 方法研 究不同二聚体中的分子间氢键相互作用。c h e n 等人【2 8 】研究c i s - n - 甲基甲酰胺多聚体中电 荷转移对氢键协同作用的影响。 k e n n e d y 等人【2 9 】研究表明氢键的协同效应对q 螺旋结构的形成起着决定性作用并 得到了证实。t o p o i 等人【3 0 】使用h f 和b 3 l y p 方法研究了多肽大体系中q 螺旋结构和3 1 0 - 螺旋结构的转换。d a n n e n b e r g 等j k t 3 1 - 3 3 】致力于研究多肽体系中的分子内氢键的协同性 多肽链上的每个氨基酸都具有形成氢键的能力而且基本相同，多肽链的相互作用及与水 的相互作用形成的多肽链的折叠。g u o 等人曾研究溶液中的协同效应【3 6 】。 目前，关于分子间氢键的实验数据非常多。但是关于分子内氢键键能的实验数据则 寥寥无几。理论上可以利用超分子方法计算分子间氢键但实际上却不能。现在，已有几 种方法用来计算一些特定体系中的分子内氢键键能，但是这些方法使用的氢键体系非常 局限，例j t l l c i s t r a n s 的计算方法【3 似7 】、o m n p a r a 计算方法【4 8 4 9 和i s o d e s m i cr e a c t i o n 等方法 【5 0 】。但这些方法的局限性在于都不能用于计算多肽和蛋白质体系中的n h o = c 分子内 氢键键能。 1 3 研究内容的确定 氢键在很多生物体系中普遍存在，氢键之间具有协同效应，在蛋白质、核酸等生物 分子体系中，各种类型氢键中的n h o = - c 型氢键起着尤为重要的作用。因此，研究各 种取代基、氢键协同效应等对n h o = c 型氢键强度的影响规律对于研究生命体系中的 氢键相互作用有着重要意义。 辽宁师范大学硕士学位论文 本论文中使用m p 2 二阶微扰理论方法研究了氢键三聚体中n h o = c 氢键强度， 分别探讨了氢键供体和受体分子中不同取代基对n h o - - c 氢键强度的影响。 露：，： 理论研究取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响 第二章取代基对n - h 0 c 氢键三聚体中氢键强度的影响 2 1 结构简介 在各种类型氢键中，n h o = c 型氢键在生物分子体系如蛋白质和核酸分子中起着 重要的作用，因此，对其强度和本质进行深入研究具有重要意义 5 1 - 6 3 】。d i x o n 掣5 l 】对甲 酰胺二聚体等体系中的n - h o = c 氢键强度进行了研究，研究发现甲酰胺二聚体中 n h o = c 的平均氢键能量为7 1 k c m m o l ，而- 甲基乙酰胺二聚体中n h o = c 的平均氢 键能量为8 6k c a l m o l 。c h e n 和l i u 等【5 2 】使用b 3 l y p 方法探讨t c i s n m a - - - 聚体中的氢键 的协同效应。l i 等1 5 3 】确定了部分碱基对中单个氢键强度。t i a j l 和y a n g 【5 4 】研究了分子内氢 键对脯氨酸的电离能有很大影响。w 锄g 等【5 5 】确定了甘氨酸和丙氨酸二肽、三肽中 n - h o = - c 分子内氢键键能。s u n 等【5 6 】对蛋白质p 折叠二聚体结合能进行了理论研究，研 究发现在反平行p 折叠二聚体中，随着肽链长度的增加，体系的结合能以折线形式增强， 而平行结构中，体系的结合能则随着肽链长度的增加呈线性增强。w u 等【5 7 5 8 j 研究发现 在蛋白质3 l o 螺旋结构和洳螺旋结构中存在着氢键协同效应。d a n n e b e r g 等【5 蛐l j 使用 b 3 l y p d 9 5 * * 方法研究甲酰胺链中氢键的协同效应。k e n n e d y 等【6 2 】研究表明氢键的协同 效应对0 【螺旋结构的形成起着决定性的作用。c h a l u p s k y 等6 3 】使用动力学模拟方法对n 一 甲基甲酰胺和n ，n 二甲基甲酰胺等中的肽键的几何结构进行了研究。 本文运用m p 2 方法对氢键三聚体中n h o = c 氢键强度进行理论研究，探讨了氢键受 体分子中不同取代基对n h o = c 氢键强度的影响。 由于n h o = c 型氢键在蛋白质、核酸等生物分子体系中起着尤为重要的作用，因 此研究各种取代基、氢键协同效应等对n h o = c 型氢键强度的影响规律对于研究生命 体系中的氢键相互作用有着重要意义。 2 2 计算方法 图2 1 为本文研究的l o 个氢键三聚体体系。本文将氢键三聚体体系中两个 n - h o = - c 氢键分别定义为h b l 和h b 2 ，探讨氢键受体分子中不同取代基对这两个氢键 强度的影响。本文计算使用m p 2 6 3 1 + g 方法优化几何结构，使用m p 2 6 3 1 + g 和 m p 2 6 31l + + g ( 3 d f ，2 p ) 方法分别计算单点能并进行基组重叠误差( b s s e ) 校正。本文相 关计算均采用g a u s s i a n 0 3 程序包完成。 辽宁师范大学硕士学位论文 。入誓之众人 r = - e t ，- m e ，一n h 2 ，- h ，- c o n h 2 ，一b h 二，- c o m e ，- c f $ ，- s 0 3 h ，- c n 。 三聚体中氢键作用能e r m l = e - ( e d i m 凹1 + e 。嘲盯i ) e - m 2 = e - ( e d i | l l c f 2 + e m 阱2 ) 其中，e 为三聚体的基组重叠误差校正能量；e b b l 为h b l 的能量，包括h 1 被取代时 的能量e 1 l 和h 2 被取代时的能量e 1 2 ，e 耶2 为h b 2 的能量，包括h 1 被取代时的能量e 2 1 和，+ 二j h 2 被取代时的能量e 2 2 ，e d i 眦l 为把第一个和第二个甲酰胺分子看为一个整体即j 聚体自旷：咖j i 优化能量；e l l l 彻甜l 为第三个甲酰胺分子的优化能量；e i l l 伽o r 2 为第一个甲酰胺单体的优化 ，： 能量，e d i m 盯2 为把第二个和第三个甲酰胺分子看为一个整体即二聚体的优化能量。； 漓乏 ” 2 3 结果与讨论 ) ，t 簟 。； 2 ，3 1r 取代基取代氢键质子受体中的h 1 原子对氢键的影响0 ，t ；- 毒 2 3 1 1 几何构型 图2 2 为本文得到的1 0 个氢键三聚体的优化结构，表2 1 给出了三聚体分子中相应 的几何参数。由图2 2 和表2 1 可以看出，与甲酰胺三聚体( r h ) 相比，供电子基团使 氢键h b l 和h b 2 的键长r ( h o ) 咖l 和r ( h o ) i r a 2 缩短，吸电子基团使氢键h b l 和h b 2 的 键长r ( h o ) h b l 和r ( h o ) 舶2 伸长。例如，甲酰胺三聚体( r 导h ) 的r ( h o ) h b l 为1 9 5 3 a ， r ( n o ) 腿2 为1 9 4 7 a 。当取代基为供电子基团e t 时，r ( n o ) i - i b i 为1 9 1 9 a ，缩短了o 0 3 4 a ，r ( n o ) 肺2 为1 9 4 1 a ，缩短了0 0 0 6a ：当取代基为供电子基团m e 时，r ( h o ) h b i 为 1 9 3 3 a ，缩短了0 0 2 0a ，r ( h o ) 聃2 为1 9 4 3 a ，缩短了0 0 0 4 a 。当取代基为吸电子基 团c o m e 时，r ( s 0 ) 船1 为2 0 0 4 a ，伸长了0 o s l a ，r ( u o ) i - i b 2 为1 9 5 8 a ，伸长了0 0 11 a ；当取代基为吸电子基团c n 时，r ( n o ) 咖l 为2 0 4 6 5 l ，伸长了0 0 9 3a ，r ( h o ) h b 2 为 1 9 6 5 a ，伸长了o 0 1 8a 。由图2 2 还可以看出，取代基对h b l 键长影响更大。 理论研究取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响 母 十雌 廿唪心 夺脚舛 十，呻j 水 r s 0 3 h 爷 巾脚心 廿呻、冰 斗，水 啦 图2 21 0 个氢键体系的优化构型 f i g 2 2 t h eo p t i m a lg e o m e t r i e so ft e nh y d r o g e nb o n dt r i m e r s 一1 0 辽宁师范大学硕士学位论文 表2 1h 被取代基r 取代的三聚体分子中h b 的分子构型的参数 t a b l e 2 1 1 n h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t r c s ( a ，。) f o rh y d r o g e nb o n dt r i m e s 2 3 1 2 氢键能量 表2 2 中第2 5 列，6 - 9 列给出了在m p 2 方法下分别使用6 - 3 1 + g * * 和6 3 1l + + g ( 3 d f , 2 p ) 基组计算得到的1 0 个体系的氢键能量。由表2 2 可以看出，m p 2 6 3 1 + g * * ( b s s e ) 方法计算得到的甲酰胺三聚体( 阽h ) 的氢键能量e l m l 为7 6 9k c a l m o l ，e r m 2 为 7 6 5 k c a l m o l ，m p 2 6 3 11 + + g ( 3 d f ，2 p ) ( b s s e ) 计算得到的结果e r m i 为8 1 0 k c a l m o l ，e n m 为7 9 7 k c a l m o l 。 当用供电子基团( r = - e t ) 取代时，m p 2 6 3 1 + g * * ( b s s e ) 方法计算得到 的三聚体中氢键能量e r m l 为8 7 2k c a l m o l ，e h b 2 为7 8 2 k c a l m o l ，m p 2 6 - 3 l l + + g ( 3 d f ， 2 p ) ( b s s e ) 计算得到的氢键能量e r m l 为9 0 6 k c a l m o l ，e h b 2 为8 2 2 k c a l m o l 。与 m p 2 6 31i + + g ( 3 d f , 2 p ) ( b s s e ) 相比，m p 2 6 31 + g * * ( b s s e ) 低估氢键相互作用约0 2 o 4 k c a l m o l 。当用供电子基团( 贮m e ) 取代时，m p 2 6 3 i + g * * ( b s s e ) 方法计算得到的三聚 体中氢键能量e h b l 为8 3 0k c a l m o l ，e h b 2 为一7 7 3 k e a l m o l ，m p 2 6 3 1i + + g ( 3 d f , 2 p ) ( b s s e ) 计算得到的氢键能量e l m l 为8 6 3 k c a l m o l ，e r m 2 为8 1 2 k c a l m o l 。与m p 2 6 3 l l + + g ( 3 d f , 2 p ) ( b s s e ) 相比，m p 2 6 3 i + g * * ( b s s e ) 低估氢键相互作用约0 2 - 0 4k c a l m o l 。由表2 2 还可以看出，用不同取代基取代氢原子对n - h o = c 氢键强度有不同的影响：当取代基 为供电子基团时，氢键强度增强，取代基为吸电子基团时，氢键强度减弱。例如， m p 2 6 3 1l + + g ( 3 d f , 2 p ) 计算结果表明，甲酰胺三聚体( r = - h ) 的氢键能量e r m l 为 8 1 0 k c a l m o l ，e v m 2 为7 9 7 k c a l m o l ，当取代基为供电子基团e t 时，e l m l 为9 0 6 k c a l m o l ， 增强了o 9 6 k c a l m o l ，e r m 2 为8 2 2 k c a l m o l ，增强了0 2 5 k c a l m o l 。当取代基为供电子基 团- m e 时，e r m l 为8 6 3 k c a l m o l ，增强了0 5 3 k c a l m o l ，e r m 2 为一8 1 2 k c a l m o l ，增强了 ，蕊： 理论研究取代基对n - h o = c 氢键三聚体中氢键强度的影响 0 1 5 k c a l m o l 。当取代基为吸电子基团c o m e 时，e 舳1 为- - - 6 0 4 k c a l m o l ，减弱了 2 0 6 k c a l m o l ，e r m 2 为- 7 5 4 k c a l m o l ，减弱了0 4 3 k c a l m o l ；当取代基为吸电子基团一c n 时， e h b l 为4 7 7 k c a l m o l ，减弱了3 3 3 k c a l m o l ，e r m 2 为7 2 0 k c a l m o l ，减弱了o 7 7 k c a l m o l 。 由此可见，供电子基团使氢键相互作用增强，吸电子基团使氢键相互作用减弱。同 时由表2 2 还可以看出，取代基对h b l 强度的影响比其对h b 2 强度的影响更大。 表2 21 0 个氨键体系的氢键能量( k c a l m 0 1 ) t a b l e 2 2t h en - h “o = ch y d r o g e nb o n d i n gs 仃e n g t ho f t e nh y d r o g e nb o n ds y s t e m s ( k c a l m 0 1 ) 2 3 1 3 自然键轨道( n b o ) 分析 表2 3 给出了1 0 个氢键三聚体的自然键轨道分析的计算结果，其中q h 、q o 分别为参 与形成氢键的氢原子和氧原子的电荷，q d 、q a 分别为形成氢键的供体分子和受体分子的 电荷。e h s , 并e r m 2 为使用m p 2 6 3 1l + + g ( 3 d f , 2 p ) ( b s s e ) 方法计算得到的氢键能量。 辽宁师范大学硕士学位论文 表2 3 氢键三聚体的自然键轨道( n b o ) 分析 t a b l e 2 3n a t u r eb o n do r b i t a la n a l y s i so fh y d r o g e nb o n dt r i m e r s 由表2 3 中第2 3 列可以看出，与甲酰胺三聚体( r = - h ) q h 参与形成h b l 氢键的氢原 子电荷0 4 7 6 1 和氧原子电荷0 7 7 4 4 比较，当取代基为供电子基团e t 时，q h 为0 4 7 9 4 ， 正电荷增加了0 0 0 3 3 ，q o 为0 7 9 6 6 ，负电荷增加了0 0 2 2 2 。当取代基为供电子基团m e 时，q h 为0 4 7 8 1 ，正电荷增加了0 0 0 2 0 ，q o 为0 7 8 6 3 ，负电荷增加了0 0 1 1 9 。这是由于 e t 和m e 是供电子基团，使氧原子上的负电荷增加，接受质子的能力增强，因此氢键增一 强，即质子受体分子中具有供电子诱导效应的取代基有助于氢键的形成。当取代基为吸 电子基团c o n h 2 时，q h 为0 4 7 2 0 ，正电荷减少了0 0 0 4 1 ，q o 为一0 7 4 0 3 ，负电荷减少了 0 0 3 4 1 当取代基为吸电子基团c n 时，q h 为0 4 6 5 2 ，正电荷减少了0 0 1 0 9 ，q o 为一0 7 0 6 2 ， 负电荷减少了0 0 6 8 2 。由第7 8 列可以看出，与甲酰胺三聚体( 贮h ) 中参与形成氢键h b 2 的氢原子电荷0 4 7 5 3 和氧原子电荷0 7 9 2 2 比较，当取代基为供电子基团e t 时，