丝氨酸与水形成氢键的结构及相互作用能的理论计算

1、丝氨酸与水形成氢键的结构及相互作用能的理论计算 姓名:纪石 学号：MG0624108 摘要 通过Gaussview对分子建模，利用密度泛函理论(DFT)B3LYP 方法, 在劈裂价层标准基组6-31G*上对建模的分子进行几何结构的优化。本文中设计了丝氨酸与水缔合的3种分子构型，对计算结果进行比较，通过氢键生成能的大小分析他们结构的稳定性和可能性。关键词: 丝氨酸 DFT B3LYP 方法 氢键生成能 一：前言 基于量子化学的理论而开发的各种建模软件随着计算机技术的发展已广泛应用于研究中，用以研究原子、分子和晶体的电子层结构、化学键理论、分子间相互作用，化学反应理论，分子间相互作用，各种光谱波谱

2、和电子能谱的理论和各种功能材料的结构和性能的关系的学科1-2。本文使用的计算工具Gaussian 98是一个功能强大的量子化学综合软件包。其可执行程序可在不同型号的大型计算机、超级计算机、工作站、和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。其基本功能包括：Hartree-Fock 水平从头算（HF）、Post-HF 从头算（各级CI 和MP）、MC-SCF法、密度泛函理论（DFT），以及多种半经验量子化学方法，进行分子和化学反应性质的理论预测。主要计算项目包括： 分子的能量与几何结构，化学反应过渡态的能量与几何结构，振动频率分析，红外与拉曼光谱，分子的热化学性质，键能与化学反应能，化学反应途径，分

3、子轨道的能量与性质，原子电荷分布（电子布居分析）和自旋密度分布分子的多极矩（永久偶极矩和四极至十六极矩）NMR 屏蔽常数、化学位移及分子的磁化率，振动园二色强度（Vibrational circular dichroism intensities），电子亲和性与电离势，极化率与超极化率，静电势与电子密度分布。二：量子化学计算 2.1 计算方法及步骤 1. 实验中先用Gauss view建模，为减少优化计算所需时间，首先在Gauss view中提取丝氨酸模型，然后用G98W程序3在HF水平上利用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法采用6-31G*基组对模型的平衡几何构型进行了全优化，得到输出文件

4、。2. 建模时基于丝氨酸的分子结构的特点考虑了多种形式，由于氨基酸分子中同时含有能形成氢键的-OH，-NH2，-COOH；所以可能形成多种形式的氢键。实验中考虑了-OH ，-NH2，-COOH和H2O分别形成氢键和一种环状结构。并且在已经过优化的丝氨酸分子周围添加水分子，这样可以减少下一步优化计算的时间。3. 然后用G98W程序在HF水平上利用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法采用6-31G*基组对模型的平衡几何构型进行了全优化，得到输出文件。2.2 结果和讨论1 模型结构示意a.优化前b.优化后图1. 模型1*a.优化前b.优化后图2. 模型2a.优化前b.优化后图3. 模型3a.优化前b

5、.优化后图4. 模型4*a.优化前b.优化后图5. 模型5*a.优化前b.优化后图6. 模型6*模型1、4、5为李云兴设计并计算。2计算结果：经优化后的几何参数及Etol列于表1.表1. 优化后模型的部分几何参数及总的能量（Method: RB3LY; Basis set: 6-31G(d,p)）H Bond （Å）Etol（a. u.）E（a. u.）模型1R(10,15)R(7,17)-475.43365652-0.009731332.521741.96798模型2R(12,15)-475.43273785-0.008812661.94122模型3R(10,15)R(13,16)

6、-475.43496909-0.011043902.062742.11613模型4R(9,16)R(10,17)-475.43700477-0.013079581.946902.07854模型5R(9,16)R(10,15)-475.43700475-0.013079561.947072.07865模型6R(9,16)R(12,15)-475.44462357-0.020698381.859451.866933.讨论（1）结构分析。从模型1的相关数据看，水分子的两个氢原子通过分别与羧基和羟基氧原子形成氢键，形成一种环状结够。但是R(10,15)较长说明该氢氧之间作用力较弱。模型2的最终优化结果

7、没有形成环状结构。其余的模型均形成了稳定的环状结构。（2）能量分析。从氢键生成能的大小来判断两种构型的稳定性，生成能越大，那么形成的缔合体的结构也就越稳定。若结合结构来看的话，模型2仅形成一个氢键，模型6形成两个氢键，前者的体系能量降低约等于后者的1/2。模型1的总能量的降级和模型2相差不多，说明更可能也仅形成一个氢键。模型1和模型2的情况说明，水分子的两个氢原子不能同时形成氢键。一方面从电子云密度上讲，水分子的一个氢原子形成氢键后，另一个氢氧键必然加强，这个氢原子的电子云密度增加后氢键难于形成；另一方面从几何构型上讲，由于形成环状结构，使得氢键形状弯曲，水分子的两个氢原子都形成氢键的话必然使

8、弯曲程度加大，因而不可能都形成氢键。模型35与模型6相比，在能量降低上有较大的差距。一方面氮原子形成的氢键比氧原子更稳定，另一方面模型6在几何构型方面，在环中只有7个原子，在几何上更稳定。当然本实验只是通过简单的模型的比较得出一些结论，只能从一个侧面反映问题。如果针对一个具体的复杂体系，还需进行进一步的研究。三：总结：通过本文的理论计算结果的分析，认为丝氨酸倾向于与水形成缔合形式，在形态中会出现环状的结构以降低体系的能量。所形成的氢键环中，水分子应当有一个氢氧键处于还中，另一个处于环外。形成的环较小时，能量较低。计算中只涉及了分子能量和几何结构的计算。当然理论计算还可从其它方面进行深入地研究，

9、如量子化学从头算方法结合TG和IR等实验方法对氨基酸热分解机理进行研究4，得出一些热力学的性质。我认为，本文的实验内容也有一定的意义。在高分子自组装的研究中，有一类规整树枝状大分子5-6（dendrimer），可利用氨基酸合成（利用N的反应性）多代的树状分子。这类大分子进一步可合成嵌段共聚物，两段不同性质的大分子在溶液中往往是热力学不相容的，这也既是大分子自组装的研究内容。分子自组装主要是依靠氢键，疏水作用等非共价键的相互作用。已有关于氨基酸合成树状段的线性-树状大分子的两亲性的研究。所以，本文实验的单个分子的理论计算可进一步深入到这种大分子基于氢键自组装的研究中。 本文中所涉及的模型中，第1、4、5种为李云兴设计并计算。参考文献1 G. G. Hall, Chem. Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real-World ProblemsJ. Chem.Soc. Rev. 1973,2, 212 郭纯孝.计算化学M. 北京:化学工业出版社化学与应用化学出版中心,20043 Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.;