（物理化学专业论文）特殊功能分子的耦合作用机制理论研究.pdf

山东走学硕士学位论支中英文摘要 摘要 由于在物理、化学，尤其是生物化学领域的重要作用，气相中弱相互作用的研究 成为近年来的重要课题。在本研究中，选择特殊的功能分子，运用量子化学计算模拟 来测定耦合模式，偶极距，谐振动频率等。现将本论文的主要内容介绍如下： 本研究第一部分报告了使用密度泛函理论( d f t ) 的b 3 l y p 方法和二级 m o l l e r - p l e s s e t 微扰理论的m p 2 电子相关方法对气相中范德华复合物c 0 2 c o 分子间 弱相互作用的研究。对这种范德华复合物的计算采用了较大基组6 - 3 1 1 + g ( 2 d f ) j 拄行全 自由度几何构型优化，结果发现三种可能结构，其中最稳定结构为t 型，c o 位于c 2 轴上，c o 中的c 与c 0 2 中c 相对，计算得到此构型中c c 间距离为o 3 2 2 8 n m ，这与 实验结果中此种构型c c 间距离0 3 2 7 7 n m 非常接近。基于m p 2 6 3 1 1 + g ( 2 d f ) 优化分子 几何，进一步采用m p 3 、m p 4 d 、m p 4 d q 、m p 4 s d t q 、m p 4 s d q 、c c s d 和c c s d ( t ) 方法对此复合物最稳定构型的弱相互作用能e “进行了确定，并采用b o y s 和b e m a r d i 的均衡校正法( c p ) 消除基函数的迭加误差b s s e 。对此体系的热力学计算表明，只有在 低温、高压下c 0 2 c o 范德华复合物才有可能存在。对本体系来说两相互作用子体系 间仅有少量的电荷转移，最稳定结构的授一受体分别是c 0 2 和c o 。 此外，应用密度泛函理论( d f l l ) 的b 3 l y p 和b 3 p w 9 1 两种方法，在6 3 1 1 + g + 和a u g - c c - p v t z 基组水平上，分别优化了c s 2 可能存在的非线型单重态和三重态构型； 在全局势能面上共发现3 个单重念( 电子态1 a 1 ) 和5 个三重态( 电子态分别为3 a 2 、，b 2 和3 8 2 ) - c s 2 异构体，正则振动频率分析证明所得到构型均是位能面上的极小 点。计算所得c s 2 异构体的相对能量顺序为4 t3 8 2 a1 a 1 l t3 a 2 3 t3 8 1 5 t3 8 2 2 t 3 8 1 b1 a l c1 a 1 。通过n b o 成键分析，解释了这些异构体结构和振动频率1 i 同的本 质原因。 本研究第二部分是在d f t 的b 3 l y p 6 3 1 1 + + g 一理论水平上，计算了孤立的丙氨 酸势能面上的六个最低点构象的精确几何、转动常数和振动频率。众所周知，大基组 以及极化和弥散函数对于含氢键体系相对能量的测定是极其重要的，因此本研究选择 了6 - 3 1 1 + + g * 。基组。计算得到的稳定耦合模式验证了实验测量得到的两个构象，此外 转动常数也与实验结果极其吻合。分子内氢键是影响气相中丙氨酸构象稳定性的主要 山东大学硕士学位论丈中英文摘要 因素，本工作对分子内氢键稳定效应次序也进行了讨论。 本研究的第三部分报告了在b 3 l y p 6 3 1 1 + + g + + 水平对气相中碱金属阳离子和丙 氨酸弱耦合作用机制的研究结果。结果表明a l a m + ( m - - l i ，n a ，k ) 复合物与金属离子的 结合强度随着金属离子大小的变化而有所改变。对于双齿螯合的电荷溶剂化复合物最 稳定构象，碱金属阳离子u 小a 是与羰基氧和氮双配合，而对k + 则是与羧基氧双配位。 在所有计算中，碱金属阳离子比丙氨酸两性离子的能量高5 - 1 4 k j m o l 。 最后，碱金属阳离子“和水与丙氨酸两性离子( a i a z w ) 的耦合模式也在 b 3 l y p 6 3 1 1 + + g 一水平进行了研究。诸如静电相互作用和极性物质，尤其水是影响 a l a z w 的内在稳定性的重要因素。计算显示静电相互作用对稳定盐桥结构是极其重要 的。此外，计算也表明额外的单个水分子对a l a z w 的结构并没有显著的效应，而水合 锂离子中水与丙氨酸两性离子形成的一个氢键导致复合物稳定性的提高。 关键词：范德华复合物，弱相互作用，耦合作用机制，溶剂效应，密度泛函理论 u 山东大学硕士学位论文中英文摘要 a b s t r a c t t h es t u d yo ft h ew e a ki n t e r a c t i o ni ng a sp h a s eh a sb e e nt h es u b j e c to fc o n s i d e r a t i o n a t t e n t i o nd u r i n gt h ep a s ty e a r sd u et ot h ei m p o r t a n c ei nt h ef i e l d so fp h y s i c s ，c h e m i s t r y , e s p e c i a l l yi nt h eb i o c h e m i s t r y i nt h i s s t u d y , s e l e c t i n gs p e c i a lf u n c t i o n a lm o l e c u l e s ， q u a n t u mc h e m i c a lm o d e l i n gc a l c u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt od e t e r m i n et h eb i n d i n gg e o m e t r i e s ， r e l a t i v e e n e r g i e s ，d i p o l em o m e n t s ，h a r m o n i c v i b r a t i o n a l f r e q u e n c i e s o fi n t e r a c t i o n c o m p l e x e ss y s t e m i nt h ef i r s tp a r to fo u rs t u d y , t h ef o c u si st or e p o r tt h eg e o m e t r i e so ft h ec 0 2 c ov a n d e rw a a l sc o m p l e xa td f ta n ds e c o n d o r d e rm o l l e r - p l e s s e tp e r t u r b a t i o n ( m p 2 ) l e v e l sw i t h t h e6 - 3 1l + g ( 2 d f ) b a s i ss e t ，t h r e es t a b l es t r u c t u r e sw e r ef o u n d t h em o s ts t a b l es t r u c t u r e h a sat - s h a p e dg e o m e t r yi nw h i c ht h ec om o l e c u l el i e sa l o n gt h ec 2a x i so fc 0 2 ，w i t ht h e t w oca t o md i r e c tc o n t a c ta n dr ( c c ) e q u a l st o0 3 2 2 7 n m t h ec o r r e s p o n d i n ge n e r g i e so f t h em o s ts t a b l es t r u c t u r eh a v eb e e nc a l c u l a t e db ym p 2 ，m p 4 d ，m p 4 d q ，m p 4 s d t q ， m p 4 s d q ，c c s d ，a n dc c s d ( t ) m e t h o d s t h eb s s e ( b a s i ss e ts u p e r p o s i t i o ne r r o r ) i s e l i m i n a t e db yt h eb o y s b e r n a r d ic o u n t e r p o i s ec o r r e c t i o n ( c p ) m e t h o d a c c o r d i n gt ot h e t h e r m o d y n a m i c sd a t a ，c 0 2 c ov a nd e rw a a l sc o m p l e xc a nb ef o u n di nl o wt e m p e r a t u r e a n d o rh i g hp r e s s u r e t h e r ei sal i t t l ec h a r g et r a n s f e r r e df r o mo n et oa n o t h e ni nt h em o s t s t a b l es t r u c t u r e ，c 0 2i st h ea c c e p t o ra n dc oi st h ed o n o r o nt h eo t h e rh a n d ，t i l eg e o m e t r i c a lo p t i m i z a t i o n so nn o n l i n e a rc s 2i nt h es i n g l e ta n d t r i p l e ts t a t eh a v eb e e nm a d eu s i n gt w od e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) m e t h o d s ( b 3 l y p a n db 3 p w 9 1 ) w i t h6 - 3 1 1 + g + a n da u g c c p v t zb a s i ss e t s t h r e es i n g l e ts t a t e s1 a la n df i v e t r i p l e ts t a t e s ( 3 a 2 、3 8 1a n d3 8 2 ) h a v eb e e nf o u n d ，f r e q u e n c ya n a l y s e sc o n f i r mt h a tt h e r ei s n oi m a g i n a r yf r e q u e n c yf o rt h e s es t a t e s ，i n d i c a t i n gt h a tt h e ya r eg e n u i n em i n i m aa tp o t e n t i a l e n e r g ys u r f a c e a tr e s p e c t i v ee q u i l i b r i u mg e o m e t r i e s ，t h el o w e s t l y i n ge l e c t r o n i cs t a t e sa r e p r e d i c t e dt oh a v ea ne n e r g yo r d e r i n g ：4 t3 8 2 a1 a l l t3 a 2 3 t3 8 1 5 t3 8 2 2 t3 8 1 b1 a 1 t h ea n a l y s e so no r b i t a li n t e r a c t i o ni n d i c a t et h ed i f f e r e n te l e c t r o no c c u p a t i o n so fh o m o ， d i s t i n c ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，a n dt h ev i b r a t i o n a lf r e q u e n c i e sc o n t r i b u t e db yt h ei n t e r a c t i o n m o d e s i nt h es e c o n dp h a s eo fo u rs t u d y , d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f nc a l c u l a t i o n sa tt h e l l i 山东大学硕士学位论支中英文摘要 b 3 l y p 6 3 1 1 + + g “l e v e l ，a r ec a r r i e do u tt od e t e r m i n ea c c u r a t eg e o m e t r i e s ，r o t a t i o n a l c o n s t a n t sa n dh a r m o n i cv i b r a t i o n a lf r e q u e n c i e so fs i xl o w e s ts t r u c t u r e s ，c o r r e s p o n d i n gt ot h e m i n i m ao np o t e n t i a le n e r g ys u r f a c eo ft h ei s o l a t e dm o l e c u l e so ft h ea m i n oa c i da l a n i n e i t i sw e l lk n o w nt h a tl a r g eb a s i ss e t sc o n t a i n i n gb o t hp o l a r i z a t i o na n dd i f f u s ef u n c t i o n si s e s s e n t i a lw h e nh y d r o g e nb o n d s ( h b o n d s ) p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gr e l a t i v e e n e r g i e s s o6 - 3 1 l + + g + + b a s i ss e t sh a v eb e e ns e l e c t e df o rt h i ss t u d y t h ec a l c u l a t e d e q u i l i b r i u m s t r u c t u r e p a r a m e t e r s a r ei ne x c e l l e n t a g r e e m e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t o b s e r v a t i o n s ，a n dr o t a t i o n a lc o n s t a n t sa g r e ew e l lw i t he x p e r i m e n tr e s u l t s ，e i t h e r t h e r e l a t i v es t a b i l i t i e so fd i f f e r e n ti s o m e r so fa l a n i n ei nt h eg a sp h a s ea r em a i n l ya f f e c t e db y i n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d s t h eo r d e ro ft h ef a c t o r st h a te f f e c tt h es t a b i l i z a t i o no f i n t r a m o l e c u l a rh b o n d sh a sb e e nd i s c u s s e di no u r p a p e r i nt h et h i r ds e g m e n t ，c o u p l i n gm e c h n i s mb e t w e e na l k a l ic a t i o n sa n da l a n i n ei nt h eg a s p h a s eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ym e a n so fb 3 l y p 6 3 1 1 + + g + + c a l c u l a t i o n s t h e o r e t i c a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em o d e so fa l k a l ic a t i o n s b i n d i n g h aa l a m + ( m = l i ，n a ，k ) c o m p l e x e sc h a n g e sw i t ht h es i z eo ft h em e t a li o n t h em o s ts t a b l ec o m p l e x e si si nt h e c h a r g e s o l v a t e db i d e n t a t ef o r m ，w i t hm + ( m = l i ，n a ) b i n d i n gt ot h ec a r b o n y lo x y g e na n dt h e n i t r o g e n ，a n dk + b i n d i n gt ot h ec a r b o x y l i co x y g e n s na l lc a s e s ，i n t e r a c t i o no ft h ea l k a l i c a t i o n sw i t hz w i t t e r i o n i ca l a n i n ei sh i 【g h e ri ne n e r g yb y5 - 1 4 k j m 0 1 、a tl a s t ，t h ec o u p l i n gm o d e so fa l k a l ic a t i o n s ( l i + ) a n dw a t e rb i n d i n gt ot h ez w i t t e r i o n i c a l a n i n e ( a l a z w ) a r es t u d i e da tb 3 l y p 6 3 1 1 + + g + 4l e v e l t h ei f i i r i n s i cs t a b i l i i yo fa l a z w i si n c r e a s e di ns e v e r a lw a y s ，s u c ha se l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n sa n ds o l v a t i o nf o rc h a r g e sb y p o l a rs p e c i e s ，e s p e c i a l l yw a t e r c a l c u l a t i o n ss h o wt h ee l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o ni se x t r e m e l y i m p o r t a n ti nt h es t a b i l i z a t i o no fs a l tb r i d g e s t h er e s u l t sr e p o r t e dh e r ea l s oi n d i c a t et h a tt h e a d d i t i o no fas i n g l ew a t e rm o l e c u l et oa l a z wd o e sn o ts i g n i f i c a n t l ye f f e c t st h er e l a t i v e e n e r g e t i c so fs t r u c t u r e ，m o r e o v e r , ah y d r o g e nb o n db e t w e e nh y d r a t i o no ft h ew a t e ra n d z w i t t e r i o n i ca l a n i n er e s u l t si n c r e a s e ds t a b i l i z a t i o n k e y w o r d s ：v a nd c rw a a l sc o m p l e x ；w e a k i n t e r a c t i o n ；c o u p l i n gm e c h a n i s m ，s o l v e n te f f e c t ；d e n s i t y f u n c t i o nt h e o r y v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：日期 山东人学颈十学位论文第一章 第一章绪论 1 1 概述 理论化学的研究目标是理解和掌握化学现象和规律，预测实验结果，为化学 实践提示思路。伴随计算机处理能力的快速提高及理论化学的发展 1 _ 5 】，近二十 多年来量子化学计算有了长足的进步。一方面，计算精度的提高使现在的理论计 算结果不仅仅可以指导、预测实验结果，甚至可以纠正实验的偏差。另一方面， 理论化学的研究对象在不断接近真实的体系，如金属离子及其配合物与生物大分 子的相互作用、金属蛋白和金属酶及其模拟研究、金属离子及其配合物与细胞相 互作用等。这些研究的进展，特别是化学计算与实验的紧密结合，使两者互相印 证，共同发展，现在很多高水平的科学研究成果都是理论与实验结台的产物。 生物体系是异常复杂的，更不用说其存在的环境，因此对其进行精确的量子 化学模拟计算是非常困难的，即使在计算机能力不断提高的今天。可另一方面， 对一个大体系而言，从化学经验来看，其中起主导作用的常常是相对独立的局部， 譬如某些起关键作用的官能团。因此在进行计算时可以选择生物分子中起主导作 用的部分进行精确计算，其余部分的作用作为环境因素进行考虑，同样也可以选 取一些小的模型体系进行精确的计算，以预测大体系的一些性质。 众所周知，生物分子的生物活性强烈依赖于其存在的环境；比如高温、射线： 溶液的p h 值变化等都会使蛋白质等生物分子失活；因而研究环境因素，特别是 溶剂效应对生物分子的影响是不可忽视的关键因素之。而现在对几乎所有的有 关氨基酸、蛋白质或其它生物分子的理论计算中，都是采用近似处理的方法处理 溶剂效应。用相对精确的计算方法处理中等大小的分子可以得出同实验观察非常 一致的结果，因而越来越成为理论工作者研究的重点。攀于溶剂效应对所研究生 物分子的影响主要表现溶剂分子与生物分子活性位之问的作用，因而用较精确的 方法研究溶剂对一些小生物分子的影响可以在一定程度上合理地解释或预测实 验现象并为溶剂模型的发展提供参比数据。 1 2 分子间的非共价相互作用 山东大学硕士学位论文第章 现代化学是基于对化学键理解的基础之上逐渐完善起来的峨自从l e w i s 7 】 提出共价键的理论以来，对于共价键的形成及起源的认识已经相当深刻了。此外， 现代量子化学从头算理论对于共价结合分子的电子结构的描述是极其成功的，并 可获得与实验结果相吻合的结果i 。另一方面，对于由非共价的相互作用( 包括静 电相互作用、氢键、疏水缔合、芳环堆砌、阳离子n 作用等) 结合而成的多分子 体系，由于其在生物大分子体系和生命过程中的重要作用，如受体配体相互作 用、酶底物结合和抗体抗原相互识别等均与此类作用相关1 8 】，因此近来已经成 为化学、物理学、材料科学和生命科学等科学领域的研究热点【2 ，4 ，6 ，9 1 1 l 。 弱相互作用是一类普遍存在的重要作用，通过这种作用可以形成超分子体系 ( s u p e r m o l e c u l a rs y s t e m ) 【4 j 。所谓的超分子是指由分子间作用力( 即v a nd e r w a a l s 力1 而不是由f 常共价键结合的复合体系，它一般包括两个或两个以上的子体系。 1 9 3 0 年，l o n d o n 把种子体系间的作用能分成四部分：静电能、诱导能、色散能、 交换能。超分子化学就是随着分子间弱相互作用研究的逐步深入而形成的一种新 的分支学科。对于此类弱相互作用体系来说，它有许多有别于传统共价键体系的 特征。首先，这些分子团簇的稳定化能在1 - 2 0 k c a l m o l 之问，远比共价键的结合 能1 0 0 k c a l m o l 要小；其次，对于稳定能是每摩尔几个千卡的弱相互作用体系来 说，相互作用的分子片之间的距离在2 a 左右，而典型的共价键则在低于1 5 a 。 此外，在热力学性质、动力学特征、振动频率等方面两者之间也存在相当大的差 异。 a 许多超分子体系含有氢键，它是一种由弱酸性的供体基团和一个具有孤对电 子的原子之间形成的显著的静电作用力。氢键的结合能大约1 2 3 0 k j m o l ，其键能 介于共价键与v a nd e rw a a l s 力之间，它具有较强的方向性，氢键的键长大约为 0 2 7 0 3 1 n m 。氢键可用简单的化学式x h y 表示，其中x 和y 都是具有较强 电负性的原子。氢键的作用力依赖于x 和y 的电负性的数值，以及x 和y 半径 的大小，当x 和y 的电负性数值高而半径小时，负电荷的密度大，这将加强x h 问的偶极距，增加h 和y 之是的静电吸引力，所形成的氢键也就较强。由 于易于形成氢键的h ，o ，c ，n 和卤素等元素的富存性；氢键的形成不需要像共价键 那样严格的几何条件；氢键较小的键能使得在液态中分子问和分子内的氢键的断 裂与再生很容易进行；氯键可以以分子间也可以分予内的彤式存在。因此氢键普 山东大学硕士学位论文第一章 遍存在于各种化合物中。氢键存在会对生物分子的物理和化学性质产生广泛而深 刻的影响。比如蛋白质分子具有众多的供体和给体，它所有能形成氢键的基团倾 向于都与水形成氢键，因此氢键对于在维持蛋白质的三维空间结构方面扮演着十 分重要的角色；氢键影响m 和r a m a n 光谱的频率；此外氢键还会极大地影响分 子的熔沸点和溶解度。 当前量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，这是其 它研究方法所难以替代的。对于非共价键的弱相互作用体系，若各分子片间的相 互作用能为a e ，则 e 协= e t 了e i 式中e 抽是作用体系的总能量，e i 为每个子体系的能量。 1 3 金属离子在生物体内的重要作用 动植物细胞中包含大约1 0 0 0 0 0 种生物分子。一些离孑如n a + ，k + ，m d + ，c a 2 + 等总计1 【1 2 】。在各种生物学过程中金属离子参与了许多重要的生命过程，是维 持生命活动不可缺少的物质。生命金属的缺乏或过量都会有害健康。对一些特定 的状态，必须有特定的金属离子j 1 能满足那种特殊的结构或催化效应的需要，因 此在生物活动中许多金属离子是十分专一的，一旦某种金属离子被另外一种金属 离子所取代，。就会使某些生命物质降低甚至失去其生物活性。 钠、钾、钙、镁、铁、锌、铜? 锰、钼、钴、铬、钒、锡、镍等十四种金属 元素是生物体的必需元素，它们在生物体内起着相当重要的作用。譬如钠离子是 体液中浓度最大的阳离子，它的主要功能是调节渗透压，同时通过“钠泵”的作 用，将葡萄糖、氨基酸等营养物质输入细胞，参与神经信息的传递和保持血液和 肾中的酸碱平衡：钾离子是细胞内部体液中数量最多的离子，细删内高浓度的钾 离子是维持核糖的最大活性从而有效合成蛋白质所必需的，此外钾离子对稳定细 胞内酶结构及神经信息的传递也是重要的。 总之，这些生命必需的金属元素在维持生物正常的生理、生化功能扮演着极 其重要的角色，对于金属离子在生命活动中的功能性问题也成为众多实验和理论 工作者的研究方向，有的已经研究得相当精细，但由于生命活动中金属离子处于 山东大学硕士学位论文第一章 一个特定的复杂的生理环境中，要充分了解它们的生理和生化功能是一个艰苦、 浩大的课题因此如何阐明金属离子在生物体内作用的真实机制和进一步解释化 学键合的本质问题等大量工作仍然需要理论和实验工作者去做。 1 4 水在生命体系中的特殊作用 水是生命存在的必要条件，生命活动大 多有水的参与。一般来说，生物体重量的 7 0 9 0 是水【3 i 。单个水分子是两个氢原子 与氧原子共价结合的非线性极性分子，孤对 电子在氧上。水的结构极非常适合氢键的形 成。水分子在形成氢键时既可以作为氢的授 体，又可以作为氢的受体。 水的许多独特性质是生命存在所必须依赖 电负陛区 爹 hh 电睦e 区 f i g u r e1 1t h es t r u a t n eo f w a t e r 图1 1 水分子结构 的，是生命的介质。例如借助水的比热太，可将其作为热的调节剂，以减少环境 温度变化对细胞的影响；水是一种良好的溶剂，它能溶解许多生命必需的化合物 而供机体吸收利用；水分子的弱作用普遍存在于生物超分子体系中，如蛋白质的 二级结构主要靠氢键作用形成的稳定的构型；生命体内的金属离子也大多是溶于 水后才能起作用。因此研究生物分子与金属离子作用时必需考虑溶剂水分子的在 其中所起的作用，这样的研究结果才能更接近真实的生物体系。总之，高水平的 水分子与生物分子阳揭；作用的功效研究有望成为深层次揭示化学生命科学和信 息科学等领域的本质问题的有效工具。 1 5 氨基酸 氨基酸( a m i n oa c i d ) 是蛋自质组成的基本结构币元。蛋自质由酸、碱或蛋 白酶作用而水解产生游离氨摹酸。2 0 种氨基酸是共同必需的，这2 0 种氨基酸中 除甘氨酸以外都是手性氨基酸。氨基酸的通式是： h r c c o o h i n h 山东大学硕上学位论文第一章 除脯氨酸外，其它1 9 种氨基酸只是侧链r 不同。在固态或在一定p h 值范 围内的溶液中氨基酸是以两性离子形式存在的： h r c c o o k ，+ 由于氨基酸同时具有氨基和羧基，它具有以下特点： 1 具有氨基和羧基的典型反应，例如氨基可以羟基化、酰基化，可与亚硝 酸作用：羧基以成酯或酰氯或酰胺等。 2 氨基酸分子中既含有氨基，又含有羧基，所以氨基酸与强酸强碱都能成 盐，氨基酸是两性物质，本身能形成内盐。 3 氨基酸的高熔点( 实际为分解点) 、难溶于非极性有机溶剂等性质说明氨 基酸在结晶状态是以两性离子存在的。 4 在水溶液中，氨基酸二偶极离子即可以与一个矿结合成为正离子，又可 以失去一个h + 成为负离子。这三种离子在水溶液中通过得到或失去h + 互相转换同 时存在，在p h 值达到等电点时溶液处于平衡。 r c h e o o h 嗣掌= ：苎r ? 一事h c o o 篙；= ! xr $ h c o o j h 渊 i 时 h | l 峪 1 】正离子僻臻离子t l i ) 煎离子 5 等电点不是中性点，不同氨基酸由于结构不同，等电点也不同。酸性氨 基酸水溶液的p h 值必然小于7 ，所以必须加入较多的酸才能使正负离子量相等。 反之，碱性氨基酸水溶液中正离子较多，则必须加入碱，才能使负离子量增加。 所以碱性氨基酸的等电点必然大于7 。 6 各种氨基酸在其等电点时，溶解度最小，因而用调节等电点的方法，可 以分离氨基酸的混合物。 1 6 氨基酸一金属离子问耦合作用机制的研究进展 山东 学硕士学位论立第章 由于在生物过程、大气化学等方面的重要作用，氨基酸与金属离子间的耦 合作用研究成为实验和理论工作者研究的热点之一。 在实验方面，随着核磁共振( n m r ) 、电子顺磁共振( e p r ) 、旋光色散 ( o r d c d ) 以及x 一衍射方法等新的实验技术应用，对氨基酸。3 。”1 及氨基酸与金 属离子相互作用“”1 的研究有相当的进展，对于氨基酸分子的结构，以及氨基酸 分子问或与其它分子、离子的弱相互作用模式与作用机制的认识也在不断深入。 另一方面，理论化学领域获得了巨大发展。特别是过去几年，高水平的量子 化学渗透到许多科学领域，而且在这些领域起着十分重要的作用。从头算法特别 是基于密度泛函理论的计算方法可以较好地用于中等大小的生物分子片段或生 物分子与金属离子的相互作用，如金属离子与肽单元的相互作用8 。2 “：如氨基酸 活性位点与金属离子“1 “或水“”的相互作用。 金属离子与生命大分子活性位点的相互作用一般是基于软硬酸碱理论 ( h s a b ) n 贝j j t 6 4 1 。软硬酸碱理论是根据金属离子与配原子在水溶液中的相互作用， 将金属离子分为三类( 软酸、硬酸和交界酸) ，作为处理l e w i s 酸碱相互作用的一 般方法。软硬酸碱标度与相应元素的电离势或电子亲合势、离子半径和离子电荷 等结构因素有关。如n a + 、k + 、m g “、m n “、c r “、f 3 + 等极化作用强、正电荷多、 难于还原、半径小、d 电子数少或无的阳离子是硬酸；反之则是软酸，如c u + 、 h 9 2 + 、c d “等：介于二者之间的是交界酸，如z n “、s n “、f e “和n i 2 + 等。通常 硬酸离子优先与0 、n 原予配原了结合，软酸离子倾向于与s 、p 原子结合? 近年来本课题组以甘氨酸及其衍生物研究对象，着重探讨了金属离子、质子 转移、电子效应等众多不同外界因素( 本文涉及到的有：h 2 0 ，h + ，l i + ，n a + ， k + ，b e “，m 9 2 + ，c a 2 + ，s r 2 + ，b a “，z n + m ，f e + m ，蜘e = 1 ，2 ，3 ，4 ；e = e l e c t r o n ) ) 对其结构、性质的影响，取得了一系列的研究成果【5 7 , 6 5 - 7 8 1 。 通过一系列的研究，首先是发现了储能现象。该发现为解释生物体内的能 量交换、储存和释放提供了有价值的信息。为了探讨这一储能现象的起源，又选 择了不同的甘氨酸一1 2 m ”复合物体系( m = m e t a l ) 进行研究。结果发现，对于 g l y 一2 m “体系来说，储能效应主要是柬源于静电、偶极、电荷转移和变形能的贡 献。当两个m “中的任一个从最稳定的g l y 2 m “复合物中解离时都有一个解离能 l ij 东大学硕士学位论文 第一章 垒，但能垒的来源却不相同，一个是起源于变形能，另一个则主要是来源于静电 效应。对于g l y m 2 + m + 体系，只有m + 与具有两性离子结构的甘氨酸复合物 g l y m 2 + 的剩余羧基氧末端成键后才具备储能效应，该能量主要是静电效应所致。 对于具有不同自旋多重度的g l y 2 m + 体系，只有它们的三重态结构才有储能效 应，该效应主要来源于甘氨酸的变形能和两个金属离子中的单电子在三个不同原 子上自旋排斥的贡献。 溶剂分子对储能效应影响的研究证实甘氨酸的羧基氧首先和金属或金属水 合离子键合，继而氨基氮被质子化，体系生成储能键，且就可以不必攀越反应势 垒。随着水合程度的增加，储能最终趋于定值。不同金属离子与配体生成的储能 键在储能方面并没有呈现出太大的差异，但溶剂效应却能显著改变其活性位次 序。 此外，对于金属离子诱导的质子转移、过渡金属离子与甘氨酸的耦合作用机 制等进行了一系列的研究。 总之，通过对氨基酸与金属离子问耦合作用机制的研究，可获得一些有益的 信息，进而逐步推进对生物大分子与金属离子间相互作用的研究。 1 7 研究方法 另一方面，随着计算机技术及理论的进步，利用量子化学等理论方法的研 究也获得亍r 巨大的发展。利肘高水平的量子化学方法对金属阳离子和氨基酸的相 互作用进行研究有以下几方面的优势： 可用于任何体系配合物的研究。 能得到准确的构象信息。 可以获得高度精度韵相互作用能。 可用来进行体系动力学性质的研究。 高精度的量子化学研究可以在电子结构水平上准确地研究分子问相互作 用，对于弱相互作用体系而言电子相关的作用相当大，而h f 方法由于不考虑电 子相关的作用，并4 i 适合用束研究弱相互作用体系。而m o l l e r - p l e s s e t ( m p ) 方法， 如m p 4 可包含单、双、三和四激发，充分考虑了电子相关能，可得到准确的弱 7 东大学硕士学位论文第一章 相互作用能。但这会极大地消耗计算机机时和存储空间，即使是只考虑单、双 激发的m p 2 方法也只能用在相对较小的体系中，因此在使用上具有很大的局限 性。密度泛函理论( d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ，d r r ) 是用密度泛函描述和确定体系 的性质而不求助于体系波函数。t h o m a s 和f e r m i 在量子力学建立之初就提出了 t h o m a s f e r m i 模型，将原子体系的动力和势能表示为密度的泛函。1 9 5 1 年s l a t e r 提出了x 。，将h a r t r e e f o c k 交换能能表达为密度的泛函。一度得到广泛应用。 h o h e n b e r g 和k o h n 在1 9 6 4 年对两个定理的严格论证，为密度泛函的发展奠定了 基础。而随后在1 9 6 5 年k o h n s h a m 方程的提出，使得密度泛函理论应用于实际 计算成为可能。随着密度泛函是理论的发展，计算的精度也在逐步的提高。由 于密度泛函方法的计算量约与基函数的3 次方成正比，使得计算速度比m p 2 方 法快近一个数量级，特别是对于大分子，这种差别更大，因此密度泛函理论为 较大体系的量子化学计算研究提供了一条可行的途径。密度泛函理论方法的计 算精度与m p 2 方法相当，优于h a r t r e e f o c k 方法，近年来己成功地应用其来处 理分子的结构和性质、光谱、能量、热化学、反应机理、过渡惫结构和水利化 势垒等许多问题，故此越来越多的研究者开始应用密度泛函理论方法来研究化 学和生物化学问题，内容涉及无机和有机小分子及它们的复合物。因此，本文 选择d f f 方法处理所选择的生物分子体系，而对于与大气环境相关的气相小分 子体系，为获得更为准确的相互作用能，则选择进一步考虑高级电子相关理论 的m p 3 、m p 4 d 、m p 4 s d t q ，c c s d 和c c s d ( t ) 进行能量计算。 基组的选择是从头算研究的关键环节，基函数选择的恰当与否直接影响到计 算结果的精确程度。考虑到此类体系的分子间相互作用非常弱，轨道直接耦合作 用不明显，除了偶极与诱导偶极问的静电相互作用外，轨道尾部的作用也是构成 整体分子间弱相互作用的一个重要组成部分，因此较大的基组并考虑极化函数和 弥散函数修j t 是非常必要的。引外，对于存在氢键作用的体系也对极化和弥散函 数十分敏感，凶此本研究选择6 - 3 1 1 + + g 一处理含有生物分子的离子复合物体系， 而对无机小分子体系则采用更大的6 - 3 1 1 + + g ( 2 d f ) 、a g u c c p v t z 等更大的基组进 行处理，以获得更为准确的能量值。 但同时我们也应注意量子化学研究的自身缺陷，比如由于基组不致引起的 基组叠加误差( b a s i ss e ts u p e r p o s i t i o ne r r o r , b s s e ) ，即由于在计算整个体系与各子 r 山东大学硕士学位论文第一章 体系时所使用的基组不一致而引起的。现在大多应用b o y s 和b e m a r d i 7 9 j 的完全 均衡校正法( c o u n t e r p o i s ep r o c e d u r e ，c p ) 消除基函数的迭加误差。 1 8 本工作的研究内容 尽管关于近年来对于一些生物或无机功能分子耦合作用体系的已进行了大 量的理论和实验研究，但对于诸如其耦合作用的本质、模式等仍有许多未知领域 亟待研究。本工作选择了一些特殊的功能分子，对其耦合作用机制进行了探讨， 研究思路如下： 首先，选择与大气环境相关的气相分子体系进行高精度的研究，以对比不同 计算方法对小分子体系计算的差异，同时也深化对弱相互作用体系的认识。 其次，选择最简单的生物功能性分子一丙氨酸( a l a ) 作为研究对象，通过对丙 氨酸构象、丙氨酸碱金属离子相互作用等的热力学性质、不同活性位对金属离 子的选择性等诸方面的理论研究，期待能对丙氨酸的实验研究能有所帮助。 最后，溶剂效应一直是化学的一个基本课题，因为自