金属配合物与核酸作用机理的理论计算.docx

金属配合物与核酸作用机理的理论计算侯林逍（中山大学化学与化学工程学院化学系 510275）摘要 在B3LYP/lanl2dz水平下计算研究了核酸分别在酸性，中性，碱性的无催化剂环境下的水解。然后就计算了在有锌配合物的作用下，反应物、中间产物、中间复合物的优化构型及能量，从而发现在金属配合物的催化作用下，核酸的水解速率大大提高了。关键词 磷酸水解 Zn配合物 过渡态 B3LYP/lanl2dz引言 由许多核苷酸聚合成的生物大分子化合物，为生命的最基本物质之一。核酸广泛存在于所有动物、植物细胞、微生物内、生物体内核酸常与蛋白质结合形成核蛋白。不同的核酸，其化学组成、核苷酸排列顺序等不同。根据化学组成不同，核酸可分为核糖核酸，简称RNA和脱氧核糖核酸，简称DNA。图一 DNA和RNA示意图核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链。一分子核苷酸的3-位羟基与另一分子核苷酸的5-位磷酸基通过脱水可形成3,5-磷酸二酯键。磷酸酯水解反应在生物新陈代谢中扮演着重要的角色，ATP、ADP、AUP的磷酸键形成和分解伴随着能量的释放和储存。在没有酶催化的情况下，核酸是相当稳定的，其磷酸键的断裂是比较难发生的。但是在天然核酸酶的作用下，其反应速度加速磷酸酯键水解速率1012-1017倍。许多金属配合物作为“化学核酸酶” ，特别是金属锌、镁配合物等具有核酸酶的生物功能，能够切割核酸分子1。金属中心和磷酸键的反应加速了磷酸的水解过程。本实验重点研究金属与磷酸酯骨架配位，使核酸水解的水解反应。实验分析金属配合物的催化性能使用的是过渡态理论。反应物分子变成生成物分子,中间一定要经过一个过渡态,而形成这个过渡态必须吸取一定的活化能，这个过渡态就称为活化络合物，所以又称为活化络合物理论。对于反应A-B+C生成ABC活化配合物，再生成A+B-C反应物。从反应物A+BC到生成物走的是能量最低通道，但必须越过势能垒Ea。Ea是活化络合物与反应物最低势能之差。计算方法 本次实验使用的是密度泛函的方法。体系的基态唯一的决定于电子密度的分布(Hohenberg-Kohn定理)，从而使得我们可以采用最优化理论，通过KS-SCF自洽迭代求解单电子多体薛定谔方程来获得电子密度分布，这一操作减少了自由变量的数量，减小了体系物理量振荡程度，并提高了收敛速度。 密度泛函理论现在已经成为理论化学家和实验化学家的最好的工具, 因为包括了大部分的过渡金属，并且能集中在较少数量的分子。从下图的示意图可以看出，反应的过程主要是：1. 反应物1和反应物2作用生成中间产物3.反应物1和金属催化物成弱作用键，主要是1的羟基和和锌配合物的羟基形成氢键，同时反应物2羟基上的氢和1反应物上的P成键，并且由于磷上的另外一个氧原子因为带有负电荷所以进攻具有强亲电性的Zn中心。从而得到较为稳定的中间复合物3。2. 中间复合物3构型发生变化，构型继续优化生成过渡态4.发现主要是1上的羟基氧在旁边氢键和P的吸引下，和原来的氢原子逐渐分离而渐渐接近P而成键。3. 过渡态4因为能量较高，继续优化，原来形成的氢键发生断裂而形成五元环，得到产物。再进行可逆反应从而磷酸基团发生脱落。图三 核酸与Zn配合物的反应示意图本文采用Gaussian03程序中的密度泛函B3LYP方法, 在lanl2dz基组水平下考察了反应物1在金属配合物反应的微观过程, 获得了图三中涉及的反应物、产物、各中间体和过渡态配合物的优化结构及其能量, 从而得到了金属催化物能大大提高反应速率的结论。计算结果与讨论1 计算练习1.1环戊烷的构型优化用Gauss View构筑环戊烷分子，使用Gaussian 03W，使用HF/3-21g基组并计算其单点能。然后优化环戊烷分子，再用该方法计算其单点能。然后将两者的单点能进行比较。表一 环戊烷优化前后单点能比较表能量（cal/mol）运行次数优化前-121779.5855优化后-121779.585310图四 环戊烷构型图（左边为未优化的，右边为优化后的） 可以看出优化后的能量更低，但是运行次数更多。从构型上分析，优化后更符合能量最低原则。两者的能量相差极小，说明环戊烷的构象在这两个是没有明显的取向的。后者能量较小可能是因为平面原子之间排斥力较大。1.2 氧化二氮的偶极矩 使用的方法是HF/3-21g，得到的结果偶极矩是1.3025Debye。可看出氧化二氮的偶极矩和氨差不多，其中氧带负电荷而氮是带正电荷。偶极矩不为零说明分子的正负电荷中心不重合。=qd，偶极矩和分子的对称性以及原子的电负性、半径有关。图五 氧化二氮的结构1.3 丙烯构象的优化 使用的是HF/6-31G(d)，并且查看键长、键角、二面角，比较相应的C-C键长、C-C-C键角、C-C-C-H二面角以及两种构象的能量。可以看出第二种的能量更低，并且c-c键的键长更短，c-c-c键角更大。二面角为0的能量更低的原因是第一个的三个氢原子都在同一个平面上相互排斥力较大，但是第二个是两个氢原子分别在一边，能排斥到相距较远的位置，从而导致能量降低。表二 两种丙烯构象数据汇总能量运行次数c-c键长c=c键长c-c-c键角c-c-c-H二面角第一种-73052.07627111.518731.31581124.26917180.00000第二种-73053.57821111.315631.31563124.740930.00000图六 两种丙烯构型图（左边为二面角180，右边为0）1.4 三聚氰胺电荷分布特点使用B3LYP/ 6-31G的方法，先建立三聚氰胺分子的模型，在进行优化后再查看其mlliken电荷。根据下图进行对比可以看出N是带负电荷，C和H都是正电荷。氨基的氮原子带最多的负电荷，其次是环上的氮原子，环上的碳原子带最多的正电荷，氨基上的氢原子带有一定的正电荷。可能的原因是氨基的氮原子和三个较易失去电子的原子相连接，所以带电荷最多。同理氨基的氢原子只和一个氮原子相连接，而环上的碳原子和三个有较强吸电子能力的氮原子相连接，所以电正性更强。图七 三聚氰胺的电荷分布图及三聚氰胺分子式1.5 乙烯分子的前线轨道 使用HF/3-21G方法，计算乙烯分子的前线轨道的LUMO和HOMO轨道，并且将该两个轨道图像化。可以看出HOMO和LUMO的轨道都是pi轨道，而且将电荷排布到轨道上可以发现，HOMO上有四个电子但是LOMO上没有电子，说明pi键的强度很高。也就是说乙烯难以失去电子，容易得到电子。同样由对称允许状态，能量相近原则，最大重叠原则，可以分析指导乙烯分子容易发生周环反应。图七 乙烯分子轨道（左边的为LOMO轨道，右边是HOMO轨道）2. 无金属催化剂下的磷酸酯水解 使用的方法是B3LYP/lanl2dz，分别对中性、碱性条件下的反应物进行运算。首先进行反应物RC和产物PC分子的构建与结构优化，然后进行中间体IM和过渡态的结构优化，接着计算反应的活化能和反应能变并利用Arrhenius方程计算催化速率比。2.1 中性条件下的水解图八 中性无金属条件下磷酸酯的水解 由上图可以看出其反应是水的氢离子和磷酸酯的两个氧原子形成氢键，经过过渡态，和其中一个氧原子成键，从而将氧甲基脱离。 得到的结果是：n-RC： E(RB+HF-LYP) = -463.589647654=-290902.5039kal/moln-TS: E(RB+HF-LYP) = -463.597208641=-290907.2484 kal/moln-PC: E(RB+HF-LYP) = -290899.1658 kal/mol 对结果进行处理，可以得到活化能：Ea=E(n-TS)-E(n-RC) =-290907.2484 kal/mol+290902.5039kal/mol=-4.7445 kal/mol=-19.8643 kal/mol反应能：E= E(n-PC)- E(n-RC)= -290899.1658 kal/mol+290902.5039kal/mol=13.97596 kal/mol反应速率：K=Ae-Ea/(RT)=Ae19.8643/(RT) 本来过渡态的能量应该是高于反应物的能量，但是本次结果却是过渡态的能量地域反应物的能量，可能是优化时间太短，没有得到最优结构，就算单点能了。2.2 碱性条件下的水解图八 碱性无金属条件下磷酸酯的水解 从上面可以看出碱性水解的反应机理是和中性不一样的，首先是电负性较大的氧负离子进攻磷酸酯中的带正电的磷原子，然后羟基上的氢在和甲氧基上的氧成键，最后以甲醇的方式脱去。 结果是：RC: E(RB+HF-LYP) = -290437.0175 kal/molTS1: E(RB+HF-LYP) = -290456.8521 kal/molIM：E(RB+HF-LYP) = -290460.5829 kal/molTS2: E(RB+HF-LYP) = -290457.6559 kal/molPC：E(RB+HF-LYP) = -290441.7867 kal/mol 对结果处理可以得到：Ea1=E（TS1）-E(RC）= -290456.8521+290437.0175=-19.8346 kal/mol= -83.0445KJ/molEa2=E（TS2）-E(IM）= -290457.6559+290460.5829=2.927 kal/mol= 12.25476 KJ/molE= E（PC）-E(RC）= -19.9677 KJ/molK1=Ae-Ea/(RT)=Ae83.0445/(RT) K2=Ae-Ea/(RT)=Ae-12.25476/(RT)2.3无金属条件下磷酸酯水解总结表三 无金属条件下磷酸酯水解总结表活化能（kJ/mol）反应速率反应能（KJ/mol）中性-19.8643Ae19.8643/(RT)13.97596碱性-83.0445Ae83.0445/(RT)-19.967712.25476Ae-12.25476/(RT) 从上表可以看出，在碱性条件下第一步的反应速率远远大于中性的反应，说明碱性更加有利于环境中的氢氧根进攻磷酸酯。同样从反应能也能看出，碱性环境中是放热，说明是可以自发反应的。在碱性环境下，反应中要比较困难的一步是IM到TS2，可能是因为构想发生了较大的变化需要较多的能量，但是氢键的形成引起的能量降低较少。4. 金属催化剂催化磷酸酯水解使用B3LYP/lanl2dz方法，将构建出来的模型进行优化，并且计算出单点能。其反应过程如下图所示。表四金属催化剂催化磷酸酯水解数据汇总表12345单点能（KJ/mol）-2460898.16-2748302.26-5174629.65-5174682.77-5174688.51结合能（KJ/mol）-34570.77活化能（KJ/mol）-53.12反应速率Ae53.12/(RT)反应能（KJ/mol）34511.90275 得到的结果好像有错误，第一得到的分子3的能量大于1和2的能量之和，从化学反应的机理来说，金属离子配合以后应该能量降低，才有可能自发和金属形成络合物。，的出来的反应速率更是比碱性环境下小，也不符合设想，同样反应能竟然是吸热，完全错误了。所以应该是有问题的。原因分析可能是最初的反应物的构型画得不符合能量最低，导致经过了一定次数的优化后，其能量还是比较大。341-22.374232.309591-241.978152.092731-17 2.204892.199691-232.263342.2391828-261.617331.6484825-431.036191.3027625-241.533641.1351943-264.284772.20326 可以明显看出43号所表示的氧原子和26磷原子成键了，形成了5元环。同时43号的氧也会25号的氢原子键加强了，27O-44H也增强了。最突出的还是磷酸酯的氧进攻磷。结论 本次实验的结果不是很理想。分子的绘制的时候没有按照能量最低的原则进行判断，导致了一定次数的优化后还是能量较高。因为结果不对，所以不能进行反应速率的对比。不过可以预计的结果应该是有金属催化的反应速率最快，然后是碱性环境下的，然后是中性环境下的。反应能和活化能也应该是从低到高。在生物体内都应该是金属酶的催化下进行的磷酸的分解，否则能量的转换速率太慢。 通过成键的分析，猜测金属酶其实就是给与了一个磷酸酯的固定位点，然后磷酸酯再在化学键的变换下，发生构型变化，成键或者断裂。而没有固定位点，磷酸酯分子内的作用就不会那么容易发生。而碱性环境的成键能力更快，是因为有氢氧根的负电荷会对整个磷酸酯有稳定作用，从最终的反应物就可以看出了。感想 这