（物理化学专业论文）杯芳烃衍生物对脂肪二酸及卤离子识别的理论研究.pdf

摘要 本文以二酰胺吡磋修饰杯 4 芳烃 脂肪二羧酸及二者形成的主一客体复合 物和杯 n 二吡咯及杯 n 二毗咯一卤素阴离子复合物为研究对象 应用分子力学 分子动力学和量子化学方法进行了计算研究 研究工作主要包括以下三个方面 1 采用分子力学 分子动力学模拟 对二酰胺吡啶修饰杯 4 芳烃与系列脂肪 二羧酸的分子识别进行了研究 结果表明 不同链长的脂肪二酸与主体分子的酰 胺基团以多氢键相结合 结合能力随链长的增长而增加 进一步研究表明 动力 学模拟计算的平均结合能和根据动力学以及溶液动力学模拟得到的稳定构象所 计算出的结合能均与实验值吻合得更好 2 应用分子力学 分子动力学模拟 对杯 n 二吡咯和杯 n 二吡咯一卤素阴离 子复合物进行研究 为了比较 对杯 4 吡咯和杯 4 吡咯一卤素阴离子复合物也 做了同样的研究 结果表明 卤素阴离子与所有吡咯n h 基团上的h 原子形成 氢键 同一主体分子 对卤素阴离子的结合能力由f 一到i 一逐渐减弱 与杯 4 吡 咯相比 杯 1 1 二吡咯对同一卤素阴离子的结合能力增强 真空动力学模拟和溶 液动力学模拟表明模拟过程中主体分子 复合物构象基本不变 保持稳定构象 3 运用密度泛函b 3 i y p 方法 对杯f 4 1 二吡咯主体分子及其卤素阴离子复合 物进行了研究 结果表明 杯 4 二吡咯可与卤素阴离子形成具有较高对称性的 复合物 其8 个吡咯n h 基团上的h 原子均可以和卤素阴离子形成氢键 杯 4 二吡咯与卤素阴离子结合的顺序为f c l 一 b r 一 r 振动光谱 电荷分布以及前 线轨道计算结果表明 杯 4 二吡咯与卤素阴离子相互作用的本质为氢键 经 b s s e 校正的结合能与电荷转移程度 n h 键键长 n h 伸缩振动频率的变化 呈线性关系 关键词 分子力学分子动力学密度泛函理论主一客体相互作用氢键 a b s t r a c t i n sp a p e r b i s a m i d o p y r i d i n e 一l i n k e dc a l i x 4 1 a r e n ea n dhc o m p k e s t h a s e r i e so fa l i p h a t i cd i c a r b o x y l i ca c i d s c a l i x n b i p y l t o l e sa n dc a l i x 川b i p y o l e s h a i k a 1 1 i o nc o m p l e x e sa r ei n v e s t i g a t e db ym o l e c u l a rm e c h a l l i c s m o i e c l l l a rd y n a m i c sa n d d e n s 耐n m c t 哑m e o 咣9 f d o u rs t u d ym a i 川y i n c l u d c s nm o i e c u l l rm e c h a 儆c sa 1 1 d 1 0 l e c u l a rd y n a r n i c ss i m u l a t i o n sw a su s e dt o i n v e s t i g a t em 0 1 e c u l a rr c c o g n m o no fb i s a m i d o p y r i d i n e 一1 i d k e dc a l i x 4 a r e n ea n da s e r i e so fa l i p h a t i cd i c a f b o x y l i ca c i d s c o m p u t a t i o n a lr e s u l t si n d i c a t em a tm u l t i p l e h v d r o g e nb o n d sw e r ef o r m e db e t w e e nt l ca m i d eo fh o s tm 0 1 e c l l l ea z l dd i c a r b o x y l i c a c i d sg u e s tm o l e c u l e s 丽t 1 1d i 船r e n tc h a i nl e n g t h t h cb i n d i n gc a p a c i t yi i l c r e a s e sw n h t l l ec h a i nl e n g mi n c r e a s i n g t h ef u h e rs t u d yr e s u l t ss h o wm a ta v e r a g eb i n d i n g e n e r g y o b t a i n e db ym o k c u l a rd y n a m i cs i n l u l a t i o nc a l lb ea 斟e e m e l l tw i t h 协e e x p e r i m e n t a lb i n d i n gc o n s t a n t s m e a l l w h i l e t h eb i n d i n ge n e r g y w h i c hw a sc a l c u l a t e d f r o mm es t a b l ec o n f o m l a t i o ng a i n e db yd y n 踟i cs i m l 1 a t i o nmv a c u ma n di ns 0 1 u t i o n a g r e e sw i t h t h er e s u l to f t l l ee x p e r i m e ma sw e l l 2 m o l e c u k rm e c h a n 沁sa n dm o l e c u i a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n sw a su s e dt os n l d y c a l i x m b i p y r r o l e c a l i p p y r l 日1 ea 1 1 dt l l e i rc o m p l e x e s 谢t l lt l a l i d ea n i o n s n es t u d y r e s u l t ss h o wm a tt h eh a i i d ea n i o n sc a l lf o r mh y 出o g e nb o n d sw i ma uh y d r o g e na t o m s i nn h 斟o u p t h eb i n d m gc 印a c i l ro ft 1 1 es a m eh o s tm o l e c l l l et oh a l i d ea n i o n s d e c r e a s e da i o n gt h eh a l i d ee l e m e n t a lp e r i o d c o m p a r e dw i t hc a l i x 4 p y r r o l e m e b i n d i n gc 印a c i t yo fc a l i x n b i p y r r o l et ot h es 锄eh a l i d ea 1 1 i o ni si n c r e a s i n g t h e c o n f o n n a t j o no fh o s t sa dc o m p l e x e sr e m a i ns t a b l ed 嘶gm o l e c u l a rd y n 枷c s i m u l a t i o nmv a c u 砌a n di ns o l u f i o n 3 c a l i x 4 b i p y r r 0 1 ea l l di t sc o m p l e x e sw i t ht 1 1 eh a l i d ea i l i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d b yd e n s i t yf u n c t i o n a lm e o 巧 b 3 l y p i tw a ss h o w nt 1 1 a t n l ec a i i x 4 b i p y 啪l ea n d h a l i d ea n i o n sc a nf o m h i 曲1 ys y m m e t r i c c o m p l e x e sb ye i g h ti n t e h n 0 1 e c u l a rh y d r o g e n b o n d s t h ei m e r a c t i o nb e t w e e nc a l i x 4 b i p y 舯l ea 1 1 dh a l i d ea 1 1 i o n sd e c r e a s e da l o n g t h eh a l i d ee l e m e n t a lp e r 蛔d 胁e 捌c u i a t e dr e s u h so f 舶q u e n c y c h a r g ed i s t m i u t i o n a n df r o n tm o l e c u l a ro r b i 协ls h o w e dm a tm e r ea r el i n e a rc o r r e i a t i o n sb e t w e e nt h e b s s ec o m c t b i n d i n ge r l c r g ya 1 1 dc h a r g et r a n s f e r e n c e n hb o n dl e n g t h n hs t r e t c h f r e q u e n c ys l i r s k e yw o r d sm o i e c u i a rm e c h a n i c s m o l e c u l a rd y n a m i c s d e n s 时如n c t i o n a l 血e o r y h o s t g u e s ti n t e r a c t i o n h y d r o g e nb o n d i i 南开大学硕士毕业论文 第一章 第一章绪论 自从2 0 世纪6 0 年代末p e d e r s e n s 川合成并发现冠醚以来 人们对分子识别 现象的研究逐渐深入起来 超分子化学越来越为人们熟悉和重视 超分子化学 是研究两个或两个以上的分子通过分子问非共价键相互作用而形成具有特定结 构和功能的超分子体系的科学 近年来 已经在化学 生命科学和材料科学等 领域吸引了人们的注意 并且越来越受到人们的关注 现在已成为化学中发展 迅速 富有挑战性的领域之一 以分子识别 分子弱相互作用为主要内容的主 客体化学 h o s t g u e s tp h e m i s n y 2 年口超分子化学 s u p r 呦o l e c u l a r c h e m i s t r y 3 叫得 到了迅速的发展 主体分子从第一代的冠醚 c r o w ne t 1 e r 发展到第二代的环糊精 c y c l o d e x t r i n 直到现在的第三代的杯芳烃 c a l i x a r e n e 及其衍生物和杯吡咯 c a l i x p y r r o l e 类超分子化合物 不断朝着合成更方便 功能更复杂 识别客体选 择性更高的方向发展 分子识别是超分子化学的研究热点之一 所谓分子识别就是指主体 或受 体 对客体 或底物 的选择性结合并产生某种特定功能的过程 它不是靠传统的 共价键作用 而是靠非共价键的分子间作用力 比如范德华作用 包括离子一偶 极 偶极一偶极和偶极一诱导偶极 疏水相互作用 氢键作用等 基于阴离子和中性有机分子在生物体生理过程 化学反应过程和环境分析 与检测中重要性的认识 与之相关的阴离子及中性有机分子识别化学的研究与 应用引起超分子化学家的极大关注 如何设计合成具有特定的空间结构和电子 结构的超分予主体化合物已经成为目前分子识别研究的前沿课题之一 本论文应用分子办学 分子动力学方法和量子化学方法从理论上对取代的杯 芳烃 脂肪二羧酸中性分子及其主客体复合物和杯吡咯主体化合物与卤素阴离 子之间的主一客体识别作用进行了研究 南开大学硕士毕业论文 第一章 1 1 杯芳烃化学研究进展 杯芳烃是苯酚衍生物和甲醛反应得到的一类环状缩合物 它的历史可追溯 到1 8 7 2 年德国化学家b a e y e r 对苯酚和甲醛水溶液加热反应的研究 但是 由于 当时实验条件的限制 产物结构未能鉴定 因此一直未引起人们的注意 直到 2 0 世纪7 0 年代末 随着冠醚 环糊精等大环化合物研究工作的深入 该类化合 物引起了g u t s c h e 等 7 l 极大的研究兴趣 在其合成及性能研究方面开展了系统且 深入的工作 至此才使得这类化合物引起化学家的广泛关注 由于它是由多个 苯环构成的芳香族分子 分子形状与希腊圣杯相似 因此人们命名为杯芳烃 被誉为继冠醚和环糊精之后的第三代超分子主体化合物 结构如图1 1 所示 r k l h 3 3 c 图l 1 杯芳烃的结构 n 2 l q 作为第三代超分子主体化合物 杯芳烃具有独特的空穴结构 与冠醚和环 糊精相比 具有如下特点 1 它是一类低聚化合物 其空穴结构的大小可以比较自由的进行调节 2 通过控制不同的反应条件和引入适当的取代基 可以固定所需要的构象 3 可以在杯芳烃上缘苯环对位 下缘酚羟基和连接苯环单元的亚甲基进行 选择性功能化 得到大量的衍生物 4 它能与离子和中性分子形成主一客体配合物 集冠醚和环糊精二者之长 5 它的水溶性较差 但是通过衍生化之后 可以获得溶解性较好的衍生物 以迸一步应用 6 合成比较简单 可以获得较为廉价的产品 童墅盔堂堕主望些笙壅 本节从杯芳烃的合成与制备 杯芳烃的超分子化学 第一章 构象 分子识别 理论研究几个方面来介绍 1 1 1 杯芳烃的合成与制备 8 1 0 l 设计和合成具有不同结构的主体化合物 对于筛选良好的分子受体具有重 要的意义 杯芳烃的合成方法有一步合成法 多步合成法和片断缩合法几种 在得到了杯芳烃的基本骨架后 通过各种反应对其进行修饰可以得到许多适用 于不同应用目的的衍生物 有关杯芳烃的合成方面的文献报道很多 1 1 2 杯芳烃的构象吣1 6 l 杯芳烃是一类构象不稳定的体系 在溶液中往往是多种构象的混合物 同 一杯芳烃及其衍生物与客体的包结配位性能与构象有很大的关系 因此有关杯 芳烃构象的研究是很有意义的 x 射线衍射结果表明 固态时杯 4 芳烃主要采用杯式构象 4 个羟基处于同 一平面 存在分子内氢键作用 在溶液中 杯 4 1 芳烃的苯酚单元可以通过亚甲 基的碳原子翻转 由此出现四种构象 杯式构象 c o n e 部分杯式构象 p a n i a l c o n e 1 2 交替式构象 1 2 一a l t e m a t e 和1 3 交替式构象 1 3 a l t e m a t e 图1 2 与杯 4 芳烃相比 由于杯 1 1 芳烃 n 5 墙 中的环空腔增大 空间自由度更大 所以可能有更多的构象 x 射线晶体结构表明 杯 5 芳烃在固态时以杯式构象 存在 在溶液中采取与固态时一致的杯式构象 杯 6 芳烃由于体系的柔性增加 构象比较多 可能存在8 种构象 杯 7 芳烃 杯 8 芳烃的构象异构现象更复杂 当杯 n 芳烃的上缘下缘引入较大基团 或者将苯环进行分子内或分子问桥联时 可以限制芳环盼旋转 得至4 相对比较固定的构象 壹茎盔堂堡 望些笙奎 笙二兰 a c o n e c 1 2 a l t e m a t e b p a 嘣a lc o n e 图1 2 杯 4 芳烽的构象 d 1 3 a l t e m a t e 1 1 3 杯芳烃的分子识别研究1 1 7 2 3 1 杯芳烃本身含有紧密相连的多个羟基和一 个兀空穴 使杯芳烃及其衍生物几 乎能与所有的金属形成配合物 因此杯芳烃类主体分子被广泛应用于对有机阳 离子 主族金属 镧系 锕系和过渡金属元素的识别研究 有关这方面的研究 有许多报导 杯芳烃对阴离子也有选择性识别能力 下缘尿素取代的杯 4 芳烃作为阴离 子受体 可以选择性识别c 1 b f r c n 和s c n b e p d 等合成了对羧酸 根阴离子具有优良选择性的功能化杯芳烃受体 尿素修饰的杯 4 二醌与c l b r c 1 0 4 h s 0 4 h 2 p 0 4 和c h 3 c 0 2 以1 l 结合 对h s 0 4 一表现出很好的选择性 合成对中性分子具有配位与识别作用的主体分子是超分子化学的研究热点 之一 杯芳烃不仅可以识别阴离子和阳离子客体 也可以选择性识别中性分子 d 堕堑叁堂堡主兰些丝壅 茎 量 对叔丁基杯 n 1 芳烃可以识别包结客体分子甲苯 二甲苯 t h f 氯仿 丙酮 二硫化碳等 杯芳烃类衍生物也能够识别一系列的有机分子 苯尿素取代杯 4 芳烃对各种中性胺有一定的的识别作用 二酰胺毗啶修饰杯 4 芳烃与一系列脂 肪和芳香二羧酸可以形成主客体复合物 1 1 4 杯芳烃的理论研究1 2 伯5 l 有关杯芳烃的理论研究主要集中在杯 4 芳烃母体和具有较小取代基而可以 翻转产生多种构象异构体的杯 4 芳烃 杯 5 芳烃和杯 6 芳烃也有一些研究报 道 但是更大的杯芳烃的理论研究报道则很少 这主要是因为 虽然计算化学 在近些年有了很快的发展和提高 但是由于杯芳烃分子本身比较大 计算量比 较大 所需时间比较长 杯芳烃的理论研究 概括起来主要包括两个方面的内容 一是主体分子构 象及不同构象之间槽互转换的研究 二是与各种客体形成的配合物的研究 t h o n d o r f i 等采用分子力学方法研究了部分去羟基的杯 4 芳烃分子的构象互变 现象和杯 5 芳烃的构象 f a i l t o n i 对毗啶修饰杯 4 芳烃的构象和对碱余属的识别 进行了分子动力学研究 c h o e j i 等对酯取代杯 6 1 芳烃对有机铵阳离子的识别 进行了分子力学研究 b e m a r d i n o r j 等应用密度泛函理论对杯 4 芳烃和亚甲基 硫取代杯 4 芳烃的结构 构象平衡进行了研究 m c d o n a i d na 等采用m o n t e c a n o 模拟方法研究了下缘二苯尿基修饰杯 4 芳烃对卤素阴离子的选择性识别 余晓冬等采用分子力学计算方法对一系列下缘酚羟基取代杯芳烃的构象进行了 研究 m e n d e s a 等报道了在水溶液中对位s 0 3 一取代的杯 4 芳烃与无机阳离子 和有机铵阳离子的分子动力学模拟结果 d e no t t e r wk 等对 4 芳烃异构化速率 的溶剂效应进行了分子动力学模拟 l a n l a r e v 等报道了杯二冠醚 c a l i x b i c r o w n se t h e r 衍生物的合成及其对碱金属的选择性萃取 动力学模拟 m d 计算和自由能微扰 f e p 计算表明 在真空中和在水溶液中 碱金属离子和 杯二冠醚衍生物的配合物均呈现l 3 交替构象 5 壹茎盔堂堡主望些笙壅 笙二童 1 2 杯吡略化学研究进展 杯吡咯是继冠醚 环糊精和杯芳烃之后发展起来的一类超分子主体化合物 它是由吡咯环和s p 3 杂化碳原子通过毗咯环a 位连接而组成的大环化合物 1 8 8 6 年德国化学家b a e y e r 首次合成了m e s o 一八甲基杯 4 吡咯 图1 3 当时被称为 丙酮吡咯 a c e t n c p y r r o l e 19 3 4 年f i s c h e r 将其命名为 屈一6 一八甲基卟啉 原 岛屈筋争一o c t 锄e 也y l p r o p h y f i n o g e n 但事实上它们是稳定的高熔点晶体物质 其氧化芳构化禁阻 不可能作为卟啉合成的前体一卟啉原 正因为如此 这类 化合物最初并没有引起人们的关注 后来 s e s s l e r 3 6 研究组在从事阴离子研究时 发现 在溶液和固体状态下 这类吡咯大环化合物对阴离子和中性分子具有选 择性识别作用 依据对化合物晶体结构的研究 s e s s l e r 将其重新命名为杯吡咯 c a l i x p y r r o l e 图1 3 杯 4 吡咯的结构 从结构上看 杯吡咯与杯芳烃比较类似 但是其结构和性能方面有更多的 特异性 它已经成为一类别具特色的超分子主体化合物 随着研究工作的深入 杯吡咯分子所具有的对阴离子和中性分子的识别性质引起了人们的关注 有关 杯毗咯的合成 衍生化及其分子识别作用研究蓬勃发展起来1 3 7 3 8 本节以阴离 子识别为基础 从杯吡咯的合成 结构 分子识别 理论研究几个方面来介绍 杯吡咯的超分子化学 1 2 一杯吡咯的合成1 3 9 1 4 5 杯吡咯的合成是在酸催化条件下吡咯与酮的缩合反应 通常条件下 往往 只能得到含有4 个吡咯单元的环状四聚体 近年来 不断探索新的合成方法 以得到新型功能化杯吡咯类化合物 主要有以下几类 介位取代的杯 4 吡咯 6 南开大学硕士毕业论文 第一章 取代的杯 4 吡咯衍生物 n 一烷基取代的杯 4 毗咯衍生物 吡咯数目较多的大 环杯 n 吡咯 n 5 6 8 杯吡咯的类似物杯 4 吡嚏 杯 n 吡咯杯 m 毗啶 m n 4 6 杯 n 吡咯杯 m 呋喃 m n 4 6 杯 n 二吡咯和杯 n 二吡咯杯 m 呋 喃化合物 1 2 2 杯吡略的结构 4 6 5 0 1 目前有关杯吡咯的结构研究主要集中在杯 4 毗咯的结构研究方面 与杯 4 芳烃类似 杯 4 吡咯理论上可以存在四种典型构象 分别是杯式构象 c o n e 部 分杯式构象 p a n i a lc o n e l 2 交替式构象 1 2 一a l t c m a t c 和l 3 交替式构象 1 3 一a l t e m a t e 如图1 4 所示 研究表明 固态时杯 4 毗咯分子呈现1 3 交瞀构象 4 个氮原子基本上处于 同一平面内 当存在与之相互作用的其它底物分子或离子时 杯 4 毗咯可以呈 现多种构象形式 与杯 4 毗咯相比 由于杯 n h c 咯 n 5 8 中的吡咯环数目的增 加 空间自由度更大 可能有更多的构象 最近发现的杯 n 二吡咯分子及其与 卤素阴离子和中性分子形成的主客体化合物的构象与杯 4 毗咯有许多相似性 举弹一 c l 2 一a l t e r n a t e d l 3 一a l t e r n a t e 图1 4 杯 4 毗咯的四种典型构象 7 堕茎查堂堡主望些笙塞 笙二主 1 2 3 杯吡咯的分子识别研究 4 6 4 9 5 5 分子识别是超分子化学研究的基础 杯吡咯化合物之所以能引起人们的关 注 是由于它对阴离子和中性分子具有很好的识别能力 杯芳烃化合物对金属 离子的识别以及对中性分子的识别主要是靠其空穴结构 疏水作用和氢键相互 作用 研究发现 对于杯吡咯类化合物对阴离子和中性分子的识别 主要是主 体分子毗咯n h 基团与客体之问的多氢键相互作用 实验表明 杯吡咯及其衍生物对卤素阴离子 h 2 p 0 4 和h s 0 4 等具有很强的 识别能力 而阴离子又是生物活动和遗传信息的重要物质 也正是这一点促使 人们对杯毗咯的研究不断深入 杯吡咯也可以与低级醇 胺和丙酮等中性分子 形成化学计量为1 1 的主客体配合物 有关杯吡咯的文献 5 6 巧司很多 但是目前为止 杯吡咯化合物的理论研究工 作开展的还比较少 下面我们对杯吡咯化合物的理论研究作以概述 l 2 4 杯吡咯化合物的理论研究口9 6 8 l v a nh o o m w p 等采用m o n t ec a r l o 模拟和自由能 f r e ee n e r g yp e r t u r b a t i o n 方法对杯 4 h 咯的构象和其对卤素阴离子的识别作用进行了研究 模拟结果与 实验结果很好的吻合 w u y d 等应用量子化学密度泛函方法研究了杯 4 吡咯 的构象和杯 4 吡咯一卤素阴离子之间的识别作用 讨论了杯 4 毗略的构象性质 不同构象形式对阴离子识别的影响和各种复合物中分子间氢键的强度 p i c h i e r r i f 应用h a n r e e f 0 c k 分子轨道方法和量子化学密度泛函方法研究了杯 4 e 咯的 构象和杯 4 吡咯一卤素阴离子之间的识别作用 提出了杯 4 吡咯识别卤素阴离 子的两步反应机理过程 b l a s j r 等采用分子动力学和热力学积分计算对杯 4 吡咯一卤素阴离子复合物进行研究 讨论了阴离子识别过程中溶剂的影响 共 溶剂的作用和痕量水的影响 w o o d s c j 等报导了m e s o 修饰杯 4 吡咯对氟离子 的选择性识别作用 并应用m o m ec a r l o 自由能模拟方法对m e s o 修饰杯 4 吡咯 对氟离子的专一选择牲识别进行了研究 近几年来 我们课题组对杯 4 仰t 咯和 杯 4 吡咯衍生物的构象及其与卤素阴离子的分子识别也开展了一些研究工作 南开大学硕士毕业论文 第一章 1 3 计算中所用的分子模拟方法 本论文所研究的超分子体系都是比较大的体系 对于这类分子较大的体系 传统的分子模拟方法是采用分子力学 分子动力学方法来研究 近年来 随着计 算机和计算化学软件的发展 量子化学密度泛函理论也被应用到较大体系的分 子间弱相互作用的研究 本论文中 我们采用多种方法相结合进行研究 1 3 1 分子力学计算方法 m 0 1 e c u l a r m e c h a n i c s 6 9 7 2 随着计算机科学和分子图形学的不断发展 对较大分子体系的分子模拟工 作 分子力学方法逐渐得到了广泛的应用 成为目前模拟蛋白质 核酸等生物 分子结构和性质以及主一客体相互作用的常用方法 1 基本思想 分子力学计算方法的基础是基于如下基本假设 分子是由原子组成的 孤 立分子或相互作用体系的势能函数是分子或体系中原子位置的函数 分子力学 把分子或体系作为在势能面上运动的力学体系来处理 求解经典牛顿力学方程 本文以下式为例来说明怎样描述一个简单的分子力学的力场势函数 e 稚兰eg eb e m e 如 十e 舢 q 1 1 当化学键进行伸缩振动时 能量变化常用下面两种势函数表示 1 2 为谐振 势函数 胡克定律 1 3 为莫尔斯 m o r s e 势函数 置 缸 f 二 o 2 e 见4 彳川 2 岛为键伸缩能 描述健长偏离平衡值时能量的变化 长 起为力常数 d e 为势能阱深度 化学键弯曲振动的势函数可以用胡克定律表示如下 瓦 屯p 一岛 z 尾为键弯曲能 描述健角偏离平衡值时能量的变化 角 鲰为力常数 1 2 1 3 为键长 如为平衡键 1 4 妫键角 岛为平衡键 分子力学中 常用傅立叶 f o u r i e r 级数捕述二面角扭曲能 9 虚堑盔堂堡 望些丝壅一篁二里 e l c o s 一l 1 5 e 0 为二面角扭曲能 描述健转动时能量的变化 为势垒的周期 巧是势 垒的高低 为二面角 堤相位差 体系中原子问的静电相互作用能常用以下两种形式表示 筹 c 哪 3 c s 叩 s 岛 1 6 瓦 挈 1 7 正品为偶极一偶极静电相互作用能 m 脚为相互作用的二偶极的偶极矩 d 是介电常数 粕是二偶极中点之间的距离 提脚和聃之间的夹角 圆和届分 别是肌和朋同它们中点连线间的夹角 巨o 枷6 为电荷一电荷静电相互作用能 纳 锄是原子f i 的净电荷 分子力学中常用的描述范德华相互作用能的公式为伦纳德一琼斯公式 忙卜 训 s e d 为范德华作用能 这里 为势能阱深度 r 是最小能量的核问距 r 是 原子间距 由式 1 1 可以看出 体系的势能由五个部分组成 键伸缩能五 键弯曲能 凰 二面角扭曲能陆 静电相互作用能丘虹范德华作用能毋d 其中键伸缩能 键弯曲能和二面角扭曲能与化学键有关 称为成键相互作用 静电相互作用能 和范德华作用能与分乎的化学键无关 称为非键相互作用 图1 5 给出了几种能 量的示意图 当然 不同的力场中 力场势函数的形式会有所不同 有的力场势函数中 可能还包含了上面以外的其它项 例如有的力场势函数中包含了交叉项一键伸 缩弯曲能 不同的力场适合于不同的体系 因此 在用分子力学进行研究时 一定要注意力场的选择 1 0 壹墅查堂堡主望些堕茎 笙二里 o t 十 键伸缩 b o n ds t c h j n g w 键弯曲 a n g i eb e n d i n g 非键作用 静电 n o b o n d e di i 他r a n o n s e l e c t r o s t a t i c 键扭曲 t o r s i o n b o n dr o t a t i o n 艮 广 假 图1 5 构成分子力学力场势函数示意图 2 力场参数化 一套势函数 通常也叫力场 是由一系列可调参数组成的 对可调参数进 行优化 使其计算值与分子的各种性质最佳的拟合 得到一套力场的优化参数 再用这些参数去预测其它分子的结构和性质 这一过程称为力场的参数化 在进行力场参数化时 首先必须确定原子类型 对原子进行分类 划分原 子类型可以更好的描述体系的性质 如分子中印2 杂化的c 和印3 杂化的c 的原 子类型不同 与不同原子相连的同一杂化类型的c 的原子类型也可能不同 分子力学计算结果的可靠性 除与力场势函数有关外 还与力场参数的数 值密切相关 分子力学可以比较准确的预测用来进行参数化的性质 其它性质 的预测可能就不太好 在确定了研究体系的力场后 接下来要做的就是确定力 场参数 即力场参数化 力场不可能满足所用研究的需要 在缺少部分力场参 数的情况下 就要自己想办法优化力场参数 分子的几何结构和力常数可由实验或者量子化学计算得到 键伸缩振动和 弯曲振动常数可直接由价键力场计算或振动光谱得到 平衡键长 键角和键弯 曲常数可由x 射线衍射 电子衍射等方法测定 也可由量子化学计算得到 二 面角参数可以由核磁共振方法得到分子的旋转势垒 然后进行拟合 但是大多 堕墅盔堂堡主望些笙壅 壁 数情况下是用量子化学计算方法计算得到 静电参数可由实验或者量子化学计 算方法得到 范德华参数可由气体分子束实验和晶体结构数据得到 3 构象搜索方法 在研究主客体相互作用中 一项十分重要的工作就是寻找所有可能存在的 构象 再逐步限制构象的数目 寻找出符合某些条件的构象 构象搜索的方法分为两类 一类是系统搜索法 s y s t e m a t i cs e a r c h i n 曲 另一类 是非系统搜索法 n o n s y s t e m a t i cs e a r c h i n g 系统搜索法在搜索条件下可以得到所 有的构象 但是能计算的体系不大 并且一般不能加入溶剂效应 非系统搜索 法搜寻构象的完全程度与时间有关 搜寻的时间越长 构象搜寻越完全 可以 用于大分子 并可加入溶剂效应 下面我们讨论本论文分子力学计算中用到的 两种构象搜索方法 1 淬火法 q u e n c h i n g 动力学淬火法是在高温下进行动力学模拟 模拟过 程中 温度不降低 从周期性的高温模拟中提取构型 直接优化其结构 一次 模拟可以得到一系列构象 2 模拟退火法 a n n e a l i n 曲 动力学模拟方法是在高温下 4 0 0 k 6 0 0 k 进行动 力学模拟 使分子跳过大多数构象势垒 在短时间内搜索一些构象空间 然后 从高温慢慢降低温度 再用能量优化的方法确定所得构象的结构 重复这样的 热冷却 循环 得到一系列的低能构象 4 分子力学的特点 分子力学的计算量仅与分子中原子数目的平方成正比 计算速度快 可以 得到分子的平衡结构 振动光谱 热力学性质等 可以计算比较大的体系 已 经被广泛应甩于分子间弱扭互作用的主一客体化学研究 药物分子设计 生物 大分子的分子结构 构象平衡与转化的研究 但是 由于分子力学计算是采用 经验力场参数 其计算精度许多时候会落后于量子化学计算方法 分子力学不 考虑原子的电子结构 因此不能得到与电子结构有关的电荷 轨道能级等性质 本论文中 我们所研究的超分子体系一修饰杯芳烃和杯毗咯体系都比较大 在计算中 主要采用分子力学方法进行构型优化 得到分子的稳定构象 1 2 塑茎奎堂堡主兰些笙壅 笙二垩 l1 32分子动力学模拟方法 m o l e c u la 1 d y n a m i c s m 7 2 1 分子动力学模拟是建立在牛顿力学基础上的又一种分子模拟方法 用来模 拟分子体系与时间有关的动态性质 其基础是对一定势能场内的分子中各原子 的热运动情况进行模拟 以直观的给出一定温度条件下分子构象的情况 根据牛顿力学 f 时刻作用于某原子f 上的力 e 和加速度 口 与原子的位置 叻 满足下面的关系 铲墨 冬 1 9 口一2 蔷2 可 1 一 式中 m 是原子的质量 n 是原子的坐标 如为直角坐标系 对于x 坐标 r r 时和 什 0 时原子f 的位置可用泰勒级数展丌 t o f t 阱一 f f 旭o 等 1 1 0 t 一出 t o 一一 f f q o 芸二 1 1 1 由式 1 1 0 和 1 可得 t o x f 一x f 一 2 f 1 1 2 1 一o f 2 x o 一x 0 一a f 十口 o f 2 1 1 3 或 娟 出 地肭 肛叫 莓挚2 1 1 4 式 1 1 4 称为v c r l e t 方程 用同样的方法 可以推导出y 和 坐标的v e r l e t 方程 利用这些关系式可根据原子在 f 力时刻和r 时刻的位置预测 什 f 时刻的 原子位置 速度和加速度等 因此 v e r l e t 方程是分子动力学方法中的重要关系 式 v e r l e t 方程的一个重要特点是它可以在相当多的时间步骤后很好的保持能量 守恒 这一点对生物大分子体系是非常重要的 因为生物大分子体系的动力学 模拟需要很多的时间步骤 e r l e t 方程中 如果时间步幅 t i m es t e p 太大 往往会 导致过大的原子位置的改变 一般情况下 时间步幅为l f s 这相当于化学键的 塑茎盔堂堡主望些垒塞 箜二兰 振动周期 本论文中 应用分子动力学方法 m d m m 寻找分子的稳定构象 模拟分子 在真空中和溶液中的行为 1 3 3量子化学密度泛函理论 q u a n t 啪m e c h a n i c s 7 0 7 6 1 近年来 在计算物理和计算化学中 5 现了一种非常活跃的方法 密度泛 函理论 d f t d e n s n yn m c t i o m lt l l e o r y 它是以电荷密度p 为基本量 把体系能 量看作是电荷密度的泛函 这一计算方法比从头算 口6 加豇f d 方法所能计算的体 系大 精度比半经验量子化学计算方法和h f 方法高 与m p 2 方法精度相当 计算速度比m p 2 快了近一个数量级 对于大分子 这种差别更大 并且计算过 程中考虑了电子相关性 因此 越来越多的研究工作者开始把这一方法应用于 研究化学和生物化学问题 一般来说 曲j n f f j oh fs c f 方法的计算量与基函数 个数的三次方成正比 m p c i c c s d t 更高 d f t 的计算量约与基函数个数 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 本文采用b 3 n r p 方法 混合基组对杯 4 二吡咯和杯 4 二吡咯一卤素阴离子 复合物进行计算 在电子结构水平上讨论了杯 4 二吡咯一卤素阴离子相互作用 的本质 得到了许多分子力学中不能得到的信息 1 4 论文研究的目的 使用量子化学计算方法和分子力学方法进行构型优化时 可能因为存在势 垒只能得到初始构象附近的局域最低能量构象 而得不到全局的最低能量构象 为了得到全局最低能量构象 避免势垒的影响 可以采取淬火法进行构象搜索 寻找最低能量构象 也可以利用分子动力学模拟退火方法得到最低能量构象 使用各种优化方法得到的最低能量构象 从理论上讲都是对应于ok 条件下 的构象 对于一些体系来说 在一定温度下分子的构象与0k 时的构象一致 也 有一些体系 一定温度下分子的构象与ok 时的构象有比较大的差异 在这种情 1 4 南开大学硕士毕业论文 第二兰 况下 如果我们仅仅研究0k 下的构象 则无法得到体系真实条件下的状态 无 法准确了解物质的真实性质 此时 使用分予动力学模拟可以得到一定温度下 分子的构象 还有一些体系 一定溶剂中分子的构象也与0k 时的构象有较大的 差异 可以使用溶液分子动力学模拟得到一定温度下分子在溶液中的构象 以 比较真实的反映分子的存在状态 在本论文中 我们应用计算化学方法 分别对二酰胺吡啶修饰杯 4 芳烃 杯 n 二吡咯和杯 4 日 c 咯主体分子的结构及主一客体分子间的弱相互作用进行 了研究 我们的研究目的是 应用分子力学 分子动力学方法对二酰胺吡啶修饰 杯 4 芳烃主体分子 脂肪二羧酸客体分子的构象及其主一客体相互作用进行研 究 通过分子力学 分子动力学计算研究了杯 n 二吡咯和杯 4 毗咯主体分子的结 构及其与卤素阴离子的主一客体相互作用的影响 采用量子化学密度泛函方法 对杯 4 二吡咯主体分子的结构及其与卤素阴离子形成的主一客体复合物进行 研究 从电子结构水平上讨论了主一客体相互作用的本质 参考 文献 p e d e r s e nc j 彳ml 孙p 珊s b e 1 9 6 7 8 9 2 4 9 5 c r a m d j 一强g p wc 矗p 所 如 e 矗西曙 1 9 8 8 2 7 10 0 9 l e h n j 一m a n g cw c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 8 8 2 7 8 9 l e h n j 一m 爿烀m 国 胁尉魄 1 9 9 0 2 9 1 3 0 4 陈丽娟 杨明星 林深 合成化学 2 0 0 2 1 0 2 0 5 刘育 尤长城 张衡益 超分子化学 天津 南开人学出版社 2 0 0 1 g u t s c h e c d m a t h i a s c h b n o k h 爿脚c b 删 曲c 1 9 8 l 1 0 3 3 7 8 2 g u t s c h e c d d h a w 柚 b l e o n i s m 0 强母n 旃 1 9 9 0 6 8 2 3 8 m u n c h j h g u t s c h e c d o 跏髓 1 9 9 0 6 8 2 4 3 b i a l j s e b o h m e lv b r e n n j 0 j 曹c 仇p 脚 1 9 9 7 6 2 8 3 5 0 a t s u s h i l k e d a s e u is h i n k a i c 向p 埘 r p v 1 9 9 7 9 7 1 7 1 3 c 0 r u z z i m a n d r e e n lqd b o c c h i v c p 卅 s b c 户8 地觑n 彻s 2 1 9 8 2 1 1 3 3 t s u e h 0 h m o r i m h i m k zd 僖c 矗e 朋 1 9 9 8 6 3 4 8 6 6 c a m e r o n b r l o e b s j y a p 6p a 知o 营 m p m 1 9 9 7 3 6 5 4 9 8 m a n a a d o n d o n i a s a n s o n e f j o 僻幽啪 1 9 9 6 6 1 5 1 5 5 s i m a a n s b i a i i s e jo 嘻 m 口掰 2 0 0 4 6 9 9 5 i5 圄 州阿嘲m吲例呻 m邮m m 郾 南开大学硕士毕业论文 第一章 1 7 1 w a m o t o k s l i n k a i s 0 罾国 1 9 9 2 5 7 7 0 6 6 1 8 i z 甜 r m l 姗b j d h a w k i n s r t j 爿m 删 c 1 9 8 3 1 2 5 1 7 8 2 1 9 1a r d u i n i a s e c c h i a p o c h j n i a j0 苫c 矗p 碱 2 0 0 0 6 5 9 0 8 5 2 0 m i y a j i h d u d i c m t u c h e lj h r 乃舻n 厅p 加 血f f p 坩 2 0 0 2 4 3 8 7 3 2 1 s c h e e f d e lj f o c i l i m e n g b e r s e n j f j o 馏 m p 州 1 9 9 4 5 9 7 8 1 5 口2 n a m k c k a n g s o j e a n g h s 托f r n 豇e 西 o n 三e f f e 啊 1 9 9 9 4 0 7 3 4 3 2 3 b e er p d d r e w m gb h e s e k d c 硎 c d 埘删研 1 9 9 7 1 0 7 2 4 t h o n d o r ci b r e n n j j 彻 函c e 触2 开 椰2 1 9 9 7 2 2 9 3 2 5 t h o n d o r ei c 向p 所 函c 尸p 腑m s2 1 9 9 9 1 7 9 1 2 6 f a n t o n i a c m a r a l l o n j c 由e 埘f p 奠 f 2 0 0 0 2 6 2 3 5 9 8 2 7 f a n t o n i a c z f s 旁 c 阿磁d c h 巨n 力 2 0 0 3 6 3 3 1 2 8 c h o e j i l k i m k c h 柚g s b 髓舶陀堋 p m 舶c 2 0 0 2 2 l 2 0 0 2 9 b e m a r d i n o r j c o s t ac a b r a l b j 胁l s 和 cr 删e 0 c 日e 力 2 0 0 l 5 4 9 2 5 3 3 0 b e m a r d i n o r j c o s t ac a b t a l b jc a b r a l jp 幻陪 m e m 爿 1 9 9 9 1 0 3 9 0 8 0 3 1 m c d o n a l d n a d u 勘e m j o 唱e n s e n wl 爿m 删 肋c 1 9 9 8 1 2 0 5 1 0 4 3 2 余晓东 吴采樱 高等学校化学学报 1 9 9 8 1 9 j 4 9 2 3 3 m e n d e s a b