（物理化学专业论文）取代基对氢键二聚体中氢键强度的影响.pdf

i 一 d f 1 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 本文采用m p 2 和b 3 l y p 方法，选取一系列的n h o = c 氢键二聚体和o - h n 氢 键二聚体为研究对象。优化几何结构，计算单点能并进行了基组重叠误差校正。讨论了 取代基对氢键二聚体中氢键强度的影响。本文的工作主要可以归纳为如下两个方面： 1 选取包含一个氢键的甲酰胺二聚体为研究对象，探讨了取代基对氢键二聚体中 n - h o - - c 氢键强度的影响。计算结果表明：可以通过改变取代基来调控氢键二聚体 中n - h o = c 氢键的强度，乙基等供电子基团对n - h o = c 氢键强度的调节作用不大， _ n 0 2 等强吸电子基团可极大地改变n h ”o = c 氢键强度，质子受体分子中的强吸电子 基团如- n 0 2 可使n h o = c 氢键强度减弱多达2 6k c a l m o l ，质子供体分子中的强吸 电子基团如c n 可使n h o = c 氢键强度增强多达4 6k c a l m o l 。 2 选取苯甲酸吡啶二聚体为研究对象，讨论了取代基对氢键二聚体中o - h ”n 氢键强度 的影响。计算结果表明：- n h 2 ，o c h 3 ，o h 基团取代受体分子的氢原子，使氢键作 用增强，取代供体分子的氢原子使氢键作用减弱。c o c h 3 ，c h o ，n 0 2 基团取代 受体分子的氢原子，使氢键作用减弱，取代供体分子中的氢原子使氢键作用增强。 关键词：氢键二聚体；氢键强度；自然键轨道( n b o ) 分析 0、j t 一 取代基对氢键二聚体中氢键强度的影响 e 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 nb o n d i n ge n e r g i e si n h y d r o g e n - b o n d e d d i m e r s a b s t r a c t t h e o r e t i c a lc m c u l a t m mo n as e r i e so ft h eh y d r o g e n - b o n d e dd i m e r sa r ec a r r i e do u tu s i n g t h em l r 2a n db 3 l y pm e t h o d t h eg e o m e t r yo p t i m i z a t i o n s ，s i n g l ep o i n te n e r g i e sa n db a s i s s e ts u p e r p o s i t i o ne r r o r ( b s s e ) a l ec a l c u l a t e d a n dt 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 ge n e r g i e sa l et h e r e f o r ee x p l o r e d t h ew o r ko f t h i sp a p e rc a l ld i v i d ei n t ot h et w op a n s a sf o l l o w i n g ： 1 u s i n gt h ef o r m a m i d ed i m e rw h i c hh a so n eh y d r o g e nb o n da sm o d e l ，t h ee f f e c t so f s u b s t i t u e n t so nt h eh y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e sa r ee x p l o r e d c a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t e t h a tb o t he l e c t r o nd o n a t i n gg r o u p sa n de l e c t r o nw i t h d r a w i n gg r o u p sc a l lr e g u l a t et h e s t r e n g t ho ft h en - h o - - ch y d r o g e nb o n d w ef o u n d t h a tt h ee l e c t r o nd o n a t i n gg r o u p s ， s u c ha s e t - h a v el i t t l ee f f e c to nt h en - h o = ch y d r o g e nb o n dw h e r e a st h es t r o n g e l e c t r o nw i t h d r a w i n gg r o u p s ，s u c ha s n 0 2o nt h ep r o t o na c c e p t o rm o l e c u l e sc a nw e a k e n t h eh y d r o g e nb o n da sm u c ha s2 6k c a l m o l ，一c no nt h ep r o t o nd o n o rm o l e c u l e sc a n s t r e n g t ht h eh y d r o g e nb o n da sm u c ha s4 6k c a l m 0 1 2 u s i n gt h eb e n z o i ca c i d - p y r i d i n ed i m e ra sm o d e l ，t h ee f f e c t so fs u b s t i t u e n t s o nt h e h y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e sa l ee x p l o r e d c a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e n i - i ：， - o c h 3 ，o hg r o u p si na c c e p t o rm o l e c u l es t r e n g t h e nt h eo - h nh y d r o g e nb o n db u t w e a k e nt h eo h nh y d r o g e nb o n di nd o n o rm o l e c u l e n l e - c o c h 3 ，- c h o ，- n 0 2g r o u p s i na c c e p t o rm o l e c u l ew e a k e nt h eo - h nh y d r o g e nb o n db u ts t r e n g t h e nt h eo - h n h y d r o g e nb o n di nd o n o r m o l e c u l e k e y w o r d s ：h y d r o g e n - b o n d e dd i m e r ；h y d r o g e nb o n d i n ge n e r g i e s ；n a t u r a lb o n do r b i t a l a n a l y s i s t，j 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 引 言1 参考文献5 l 取代基对n h o = c 氢键二聚体中氢键强度的影响6 1 1 简介j 6 1 2 计算方法7 1 3 结果与讨论8 1 3 1 质子受体分子中的取代基r l 对氢键强度的影响8 1 3 2 质子供体分子中的取代基r 2 对氢键强度的影响l1 1 3 3 自然键轨道( n b o ) 分析1 3 1 4 结论1 5 参考文献1 6 2 取代基对o - h n 氢键二聚体中氢键强度的影响1 7 2 1 简介1 7 2 2 计算方法1 8 2 3 结果与讨论1 8 2 3 1 质子受体分子中的取代基r l 对氢键强度的影响1 8 2 3 2 质子供体分子中的取代基r 2 对氢键强度的影响2 0 2 - 3 - 3 自然键轨道( n b o ) 分析2 3 2 4 结论2 4 参考文献2 5 结论2 7 攻读硕士学位期间发表学术论文情况2 8 致谢2 9 t，；0一 辽宁师范人学硕士学位论文 引言 氢键是一种重要的分子内或分子间的相互作用，通常可以表示为x h y 的形式。氢 键在许多的化学和生物过程中起到很重要的作用【l 翻。例如，稳定生物分子的结构，调 节酶反应的速度和特性，构造超分子等。因而对其本质进行深入的研究具有重要的意义 3 - 1 s o l i 等使用从头计算量子化学方法研究了甲基对c - h o 氢键强度的调节作用，文中以 x c 兰c h ( x _ _ h ，c h 3 ，f ) 作为质子供体分子，h o y ( y - - h ，c h 3 ，c 1 ) 作为质子受体分子，在 m p 2 a u g - c c p v d z 和m p 2 a u g - e c p v t z 水平上对c h o 氢键中氢键的键长、键角、键的 伸缩振动频率、氢键的相互作用能以及n b o 分析进行了研究。研究发现甲基取代质子受 体分子使c h o 氢键强度增强，而甲基取代质子供体分子使c h o 氢键强度减弱1 6 1 。 d i x o n 等使用阶微扰理论m p 2 方法和a u g - e e p v d z 、a u g - c c p v t z 、a u g - e c p v q z 基组对 甲酰胺二聚体和n 甲基乙酰胺二聚体体系中n h o = c 和c h o = c 氢键进行了研究，文 中对甲酰胺二聚体的五个几何结构在m p 2 a u g - c c p v d z 和m p 2 a u g - c e p v t z 水平上进行 了优化，在m p 2 a u g - e e p v q z 水平上对氢键的能量进行了计算。对n 甲基乙酰胺二聚体 的四个几何结构在m p 2 a u g - c c p v d z 水平上进行了优化，在m p 2 a u g - e c p v t z 水平上进 行了单点能计算，所有的体系计算能量时都加入了b s s e 校正。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 a l m o l ，而n 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 1 l 。t a n 等设计了两个分子体系研究氢键的协同作用，第一个分 子体系是由一系列c i s n m e t h y i f o r m a m i d e 线性低聚物组成，第二个分子体系是在 c i s - n m e t h y l f o r m a m i d e 三聚物的中间分子中插入其它基团( 如 - c h 2 - , - c h _ c h ，- c h 2 c h 2 一，一c h = c h - c h = c h 等) 。使用b 3 l y p 方法和c c p v t z 基组对两 个分子体系的几何结构和电荷分布进行了讨论，提出在这些体系中氢键协同作用足由于 c i s - n m e t h y l f o r m a m i d e 分子中电荷转移引起的，第二个分子体系e i s - n - m e t h y l f o r m a m i d e 三聚物的研究详细的阐述了氢键协同作用的机理，因为随着插入基团的不同在 c i s n - m e t h y l f o r m a m i d e z 聚物中c = o 和n h 基团之间的电荷转移也发生变化，计算结果 表明，在c i s - n - m e t h y l f 0 肌锄i d e 分子聚合物中氢键的质子供体和质子受体分子之间电荷 转移是引起氢键协同作用的一个重要凶素【8 1 。m o h a j e r i 等使用b 3 l y p 的方法对1 5 个核酸 碱基对中n h n 和n - h o 氢键强度进行了研究，其中对5 个核酸碱基对的几何结构， 氢键能量，分子中原子的拓扑参数，自然键轨道分析以及光谱测定进行了分析。计算结 果表明：在不同的核酸碱基对中几乎大多数的氢键都是中等强度的氢键，并且发现在胸 腺嘧啶中的氢键通过胺型氧原子相互作用，而在尿嘧啶中通过尿素型氧原子相互作用形 取代基对氢键二聚体中氢键强度的影响 成氢键，在胞核嘧啶和鸟嘌呤中通过胺型氮原子和氨基化合物型氧原子相互作用形成氢 键【9 1 。z h a n g 等对阻多肽结构中的八元环和十二元环的分子内n h o = c 氢键的能量进行 了研究，文中使用m p 2 6 3 1 g ( d ) 方法对p 多肽的构象异构体进行了几何结构优化，并在 m p 2 6 3 1l + g ( d ，p ) 水平上对其进行了单点能计算，计算结果表明：5 个肛二肽结构中八 元环的n h o = c 分子内氢键的氢键能量分别为5 5 0k c a l m o l ，一5 4 0 k c a l m o l ， 7 2 8 k c m m o l ，- 4 9 4 k c a l m o l 和6 8 4 k c a l m o l 。9 个肛三肽结构中十二元环的n h o = c 分 子内氢键的氢键能量分别为1 0 2 3k c a l m o l ，1 0 3 2k c a l m o l ，9 5 3k c a l m o l ，- 1 0 3 0 k c a l m o l ，1 0 3 2k c a l m o l ，1 0 5 5k c a l m o l ，1 0 0 9k c a l m o l ，1 0 5 l k c a l m o l ，9 6 0k c a l m o l 。 将这些结果与自己提出的方法所计算得到的结果相对比【1 0 】。e b r a h i m i 等使用h f ，b 3 l y p ， m p 2 方法和6 3 1 l + + q d ，p ) 基组对x - p y r i d i n e h f 氢键进行了理论研究，文中用o - ， n ( c h 3 ) 2 ，n h ( c h 3 ) ，n h 2 ，c 2 h 5 ，c h 3 ，o h ，f ，c 1 ，o f ，b r ，n 0 2 和n i - - 1 3 + 基团对x - p y r i d i n e h f 氢键进行了对位和间位取代，讨论了给电子基团和吸电子基团对氢键能量的影响。并进 行了a i m 和n b o 分析，分析结果表明：a i m 和n b o 计算结果与能量的变化有很好的一致 性。讨论了哈梅特系数和配位能的关系，o 和a e 的相关系数为0 9 4 t 1 1 1 。s u n 等提出了一 种新的势能函数并将其应用到计算多肽中的氨基化合物氨基化合物，氨基化合物水的 氢键相互作用能中。势能函数中的一些参数与1 0 个氢键二聚体的势能曲线相对应。文 中使用这个势能函数对n h o = c ，c h o = c ，n h o h 2 ，c = o h o h 几种类型的氢键 进行了计算，并计算了d - 折叠二聚体的结合能。计算结果表明：使用这种势能函数所计 算得到的氢键的能量与m p 2 6 3 1 + g * * ( b s s e ) 舌i - 算结果具有很好的一致性，利用此种势 能函数可以得到准确的数值【1 2 1 。s h i 等使用密度泛函理论和6 3 1 g ，6 3 i + g ， 6 - 3 1 + g ( d ) ，6 - 3 1 + g ( d ，p ) ，6 - 3 1 l + + g ( 2 d ，2 p ) q 5 个基组对甲酰胺氨基乙酸二聚体进行了理 论研究，文中对十二个甲酰胺氨基乙酸二聚体进行了构型优化，其中十个甲酰胺氨基 乙酸二聚体为包含两个氢键的循环结构，另外两个甲酰胺氨基乙酸二聚体为包含个 氢键的线性结构。研究发现：循环结构中f g 5 是最稳定的结构，循环结构c p f g l 由于弱 的相互作用是最不稳定的结构【1 3 l 。w a n g 等使用b 3 l y p 和m p 2 方法对1 7 个反平行和平 行的d 折叠结构的结合能进行了理论研究，研究结果表明：b 3 l y p 计算得到的结合能要 e l m p 2 计算得到的结合能弱。对于反平行的b 折叠结构，两个n h 0 = 0 氢键能形成个 大的氢键环和一个小的氢键环，每增加一个大的氢键环时，氢键的结合能增强很多。而 每增加一个小的氢键环时，氢键的结合能没有发生很大的变化，这是由于小的氢键环存 在二级排斥作用；对于平行的p 折叠结构，氢键的结合能随着链的伸长而呈现线性递增 的趋势叭。d o n g 等提出了一种原子替换的简单方法对包含多个氢键体系的每一个分子 j 辽宁师范人学硕士学位论文 间氢键的能量进行了研究，这种方法被应用到甲酸甲酰胺二聚体，核酸碱基对以及其 它的氢键二聚体中，在这种方法的帮助下，很容易区分每一个氢键的相对强度【1 5 l 。 在本文中，第一部分的工作主要研究了取代基对氢键二聚体中n - h o = c 氢键强度 的影响，甲酰胺分子是含有肽键的最简单的分子，大量的研究表明甲酰胺二聚体中包含 两个氢键的头尾相接的结构是最稳定的 7 , 1 9 - 2 0 1 ，但是由于我们要讨论的是取代基对 n h o = c 氢键强度的影响，因此在我们的工作中我们选取了只包含一个氢键的甲酰胺 二聚体体系作为研究对象( 如图1 ) 。在这部分工作中我们使用m p 2 6 - 31 + g * * 方法优化几 何结构，在m p 2 6 - 3 i + g * * 几何结构基础上，使用m p 2 6 - 3 1l + + g ( d ，p ) 、 m p 2 6 - 3 1l h g ( 3 d f ，2 p ) 和m p 2 a u g - e c - p v t z 方法计算了单点能并进行了基组重叠误差 h h n 一足h o 夕c h 、h 图l第，一部分工作中所研究的氢键二聚体 ( b s s e ) 校正。研究发现，可以通过改变取代基的供电性或吸电性来调控氢键强度。乙 基等供电子基团对n - h o = c 氢键强度的调节作用不大，n 0 2 等强吸电子基团可极大地 改变n - h o = c 氢键强度，质子受体分子中的强吸电子基团如- n 0 2 可使n h o = c 氢键强 度减弱多达2 6 k c a l m o l ，质子供体分子中的强吸电子基团如c n 可使n h o = c 氢键强度 增强多达4 6k c a l m o l 。 本文的第二部分工作主要讨论了取代基对苯甲酸吡啶二聚体中0 h n 氢键强度的 影响。我们选取了苯甲酸作为供体分子，吡啶环作为受体分子所形成的氢键二聚体为研 究对象( 如图2 ) 。在这部分工作中我们使用b 3 l y p 6 3 1 + g ( d ，p ) 5 d 方法优化几何结构， 在b 3 l y p 6 3 1 + g ( d ，p ) 5 d 几何结构基础上， 使用m p 2 6 3 l l + + g ( d ，p ) 、 m p 2 6 3 1l 抖g ( 3 d 2 p ) 方法计算了单点能并进行了基组重叠误差( b s s e ) 校正。计算结果 表明：- n h 2 ，- o c h 3 ，一o h 基团取代受体分子中的氢原子，使氢键作用增强，取代供体 取代基对氢键二聚体中氢键强度的影响 h o 州 图2 第二部分工作中所研究的氢键二聚体 f i g 2 t h eh y d r o g e n - b o n d e dd i m e r ss m d i c di nt h es e c o n dw o r k h 分子中的氢原子使氢键作用减弱。c o c h 3 ，c h o ，- n 0 2 基团取代受体分子中的氢原子， 使氢键作用减弱，取代供体分子中的氢原子使氢键作用增强。 希望本文的研究结果能够对蛋白质多肽功能分子材料的模拟研制有重要指导价值， 并且能为新的超分子液晶复合物的设计合成提供有用的参考。 一4 每 j 一 _ 辽宁师范大学硕士学位论文 参考文献 【1 】m a t s u d as ，h e n r ya 八s c h u l t zpg ，e ta 1 t h ee f f e c to fm i n o r - g r o o v eh y d r o g e n - b o n da c c e p t o r sa n d d o n o r so nt h es t a b i l i t ya n dr e p l i c a t i o no ff o u ru n n a t u r a lb a s e sp a i r s j a m c h c m s o c ，2 0 0 3 ，1 2 5 ： 6 1 3 4 - 6 1 3 9 【2 】r o ya ，p a n i g m h is ，b h a t t a c h a r y y am ，e ta 1 s t r u c t u r e ，s t a b i l i t y ，a n dd y n a m i c so fc a n o n i c a la n d n o n c a n o n i c a lb a s ep a i r s ：q u a n t u mc h e m i c a ls t u d i e s j p h y s c h e m b ，2 0 0 8 ，l1 2 ：3 7 8 6 3 7 9 6 【3 】j e f f r e yga a ni n t r o d u c t i o nt oh y d r o g e nb o n d i n g ，o x f o r du n i v e r s i t yp r e s s ，1 9 9 7 【4 】d e s i r a j ugr s t e i n e rt t h ew e a kh y d r o g e nb o n d , o x f o r du n i v e r s i t yp r e s s ，19 9 7 【5 】s c h e m e rs h y d r o g e nb o n d i n g ，o x f o r du n i v e r s i t yp r e s s ，19 9 7 【6 】l iqz ，a nxl ，l u a nf ，l iwz ，e ta 1 r e g u l a t i n gf u n c t i o no fm e t h y lg r o u pi ns t r e n g t ho fc h o h y d r o g e nb o n d ：ah i 【曲- l e v e la bi n i t i os t u d y j p h y s c h e m a ，2 0 0 8 ，l1 2 ：3 9 8 5 f 7 】v a r g a s g a r z aj ，f r i e s n e rra ，s t e mh ，h a ybp ，d i x o nda s t r e n g t ho ft h en h o = ca n d c h o - - cb o n d si nf o r m a m i d ea n dn - m e t h y l a c e t a m i d ed i m e r s j p h y s c h e m a ，2 0 0 1 ，1 0 5 ：4 9 6 3 【8 】t a nhw ，q uww ，c h e ngj ，l i urz t h er o l eo fc h a r g et r a n s f e ri nt h eh y d r o g e nb o n dc o o p e r a t i v e e f f e c to f c i s - n - m e t h y l f o r m a m i d eo l i g o m e r s j p h y s c h e m a ，2 0 0 5 ，1 0 9 ：6 3 0 3 【9 m o h a j e r ia ，n o b a n d e g a n iff d e t e c t i o na n de v a l u a t i o no fh y d r o g e nb o n ds t r e n g t hi nn u c l e i ca c i db a s e p a i r s j p h y s c h e m a ，2 0 0 8 ，l1 2 ：2 81 - 2 9 5 【10 】z h a n gy ，w a n gcs e s t i m a t i o no nt h ei n t r a m o l e c u l a rn - h o = ch - b o n de n e r g i e si n l 3 - p e p t i d e s j o u r n a lo f t h e o r e t i c a la n dc o m p u t a t i o n a lc h e m i c a l ，2 0 0 9 ，8 ( 2 ) ：2 7 9 【1 1 】e b r a h i m i 八h a b i b im ，m a s o o d ihr t h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ei n f l u e n c eo fp a r a - a n dm e t a - s u b s t i t u e n t so nx - p y r i d i n e h fh y d r o g e nb o n d i n g c h e m i c a l p h y s i c s ，2 0 0 7 ，3 4 0 ：8 5 - 9 2 【1 2 】s u ncl ，j i n gxn ，w a n gcs a na n a l y t i cp o t e n t i a le n e r g yf u n c t i o n f o rt h ea m i d e - a m i d ea n d a m i d e w a t e ri n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d si np e p t i d e s j c o m p u t c h e m ，2 0 0 9 【13 】s h iy ，z h o uzy ，z h a n ght d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r ys t u d yo ft h eh y d r o g e nb o n d i n gi n t e r a c t i o nl ：l c o m p l e x e so f f o r m a m i d ew i t hg l y c i n e j p h y s ，c h e m a ，2 0 0 4 ，1 0 8 ：6 4 1 4 - 6 4 2 0 【1 4 】s u ncl ，w a n gcs t h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h eb i n d i n ge n e r g yo f1 3 - s h e e e tm o d e l s s c i c h i n a s e r b - c h e m ，2 0 0 9 ，5 2 ( 1 2 ) ：2 2 4 3 2 2 4 8 【15 】d o n gh ，h u awj ，“sh e s t i m a t i o no nt h ei n d i v i d u a lh y d r o g e n - b o n ds t r e n g t hi nm o l e c u l e sw i t h m u l t i p l eh y d r o g e nb o n d s j p h y s c h e m a ，2 0 0 7 ，1 1l ：2 9 41 - 2 9 4 5 【1 6 】t i a nsx y a n gj e f f e c t so fi n t r a m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d i n go nt h ei o n i z a t i o ne n e r g i e so fp r o l i n e a n g e w c h e m i n t e d ，2 0 0 6 ，4 5 ：2 0 6 9 - 2 0 7 2 f17 】l i uy ，l i uwq ，l ihy ，e ta 1 t h e o r e t i c a ls t u d yo fh y d r o g e nb o n db l u e - s h i f ti nt h eh n od i m e r j a t m 0 1 p h y s ，2 0 0 6 ，2 3 ：9 81 【18 】d e s i r a j ug s u p r a m o l e c u l a rs y n t h o n si nc r y s t a le n g i n e e r i n g - an e wo r g a n i cs y n t h e s i s a n g e w c h e m i n t e d ，e n 9 1 ，1 9 9 5 ，3 4 ：2 3 l1 【1 9 】g r a b o w s k isj ，s o k a l s k iwa ，l e s z e z y n s k ij t h ep o s s i b l ec o v a l e n tn a t u r eo f n - h oh y d r o g e nb o n d s i nf o r m a m i d ed i m e ra n dr e l a t e ds y s t e m s ：a na bi n i t i os t u d y j p h y s c h e m a ，2 0 0 6 ，l1 0 ：4 7 7 2 【2 0 】k a n gyk w h i c hf u n c t i o n a lf o r mi sa p p r o p r i a t ef o rh y d r o g e nb o n do fa m i d e s j p h y s c h e m b ， 2 0 0 0 1 0 4 ：8 3 2 1 一5 取代基对氢键二聚体中氢键强度的影响 1 取代基对n h o = c 氢键二聚体中氢键强度的影响 1 1 简介 在化学和生物学中氢键是一种非常重要的弱相互作用，它在许多的生命过程中扮演 着非常重要的角色【卜2 1 。氢键在蛋白质折叠和d n a 碱基对中起着非常重要的作用，因此 对氢键本质以及氢键强度的研究具有重要的意义 3 - 1 6 。 d i x o n 等使用m p 2 a u g - c c p v d z 、m p 2 a u g - c c - p v t z 、m p 2 a u g - e e - p v q z 方法对甲酰 胺二聚体和n 甲基乙酰胺二聚体体系中n h o = c 和c h o = c 氢键进行了研究。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 a l m o l ，而n - 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 6 1 。w a n g 等使用b 3 l y p 和m p 2 方法对蛋白质分 子中反平行的、平行的b 折叠结构的结合能进行了理论研究。研究结果表明：b 3 l y p 方 法计算得到的结合能要i ：i , m p 2 方法计算得到的结合能小。反平行的1 3 折叠结构中，两个 n - h o = c 氢键形成了一个大的氢键环、一个小的氢键环，当增加一个大的氢键环时， 氢键的结合能增强很多。而增加一个小的氢键环时，氢键的结合能没有发生太大的变化， 这主要是因为小的氢键环中存在着二级排斥作用；对于平行的6 折叠结构，氢键的结合 能随着链的伸长而呈现线性递增的趋势【7 l 。“等使用m p 2 a u g c c p v d z 、 m p 2 a u g - c c p v t z 方法研究了甲基对c h o 氢键强度的调节作用。研究发现甲基取代质 子受体分子中的原子使c h o 氢键强度增强，而甲基取代质子供体分子中的原子使 c h o 氢键强度减弱【引。t a n 等使用b 3 l y p 方法和c c p v t z 基组对自己设计的两个分子体 系进行了氢键协同作用的研究，文中对两个分子体系的几何结构和电荷分布进行了讨 论，提出在这些体系中存在的氢键协同作用是由于c - n m f 分子中电荷转移引起的。计算 结果表明，在c 栅分子聚合物中氢键的质子供体和质子受体分子之间电荷转移是引起 氢键协同作用的一个重要因素【9 1 。m o h a j e r i 等使用b 3 l y p 的方法对1 5 个核酸碱基对中 n - h n 和n h o 氢键强度进行了研究。计算结果表明：在不同的核酸碱基对中几乎大 多数的氢键都是中等强度的氢键，并且发现在胸腺嘧啶中的氢键通过胺型氧原子相互作 用，而在尿嘧啶中通过尿素型氧原子相互作用形成氢键，在胞核嘧啶和鸟嘌呤中通过胺 型氮原子和氨基化合物型氧原子相互作用形成氢键【o 】。d o n g 等提出了一种原子替换的 简单方法对包含多个氢键体系的每一个分子间氢键的能量进行了研究，这种方法被应用 到甲酸一甲酰胺二聚体，核酸碱基对以及其它的氢键二聚体中，在这种方法的帮助下， 很容易区分每一个氢键的相对强度【1 1 1 。z h a n g 等对p 多肽结构中的八元环和十二元环的 分子映j n - h o = c 氢键的能量进行了研究。计算结果表明：5 个p 二肽结构中八元环的 辽宁师范人学硕士学位论文 n - h o = c 分子内氢键的氢键能量分别为5 5 0k c a l m o l ，5 4 0k c a l m o l ，7 2 8 k c a l m o l ， - 4 9 4 k c a l m o l 和6 8 4 k c a l m o l 。9 个肛三肽结构中十二元环的n h ”o = c 分子内氢键的氢键 能量分别为1 0 2 3k c a l m o l ，1 0 3 2k e a l m o l ，9 5 3k c a l m o l ，1 0 3 0k c a l m o l ，1 0 3 2 k c a l m o l ，一1 0 5 5k c a l m o l ，1 0 0 9k e a l m o l ，1 0 5 1 k e a l m o l ，一9 6 0k c a l m o l 。并将这些结 果与自己提出的方法所计算得到的结果相对比【1 2 】。s h i 等使用密度泛函理论和6 3 l g ， 6 - 3 1 + g ，6 - 3 1 + g ( d ) ，6 - 3 1 + g ( d ，p ) ，6 3 1l + + g ( 2 d ，2 p ) 干i 个基组对甲酰胺- 氨基乙酸二聚 体进行了理论研究。研究发现：循环结构中f g 5 是最稳定的结构，循环结构中f g l 由于 弱的相互作用是最不稳定的结构【l 引。s u n 等提出了一种新的势能函数并将其应用到计算 多肽中的氨基化合物氨基化合物，氨基化合物水的氢键相互作用能中。计算结果表明： 使用这种势能函数所计算得到的氢键的能量与m p 2 6 3 1 + g * * ( b s s e ) 计算结果具有很好 的一致性，利用此种势能函数可以得到准确的数值【1 4 1 。 n h o = c 型氢键在生物体系中起着重要作用，其强弱对蛋白质多肽结构和功能有 重要影响。为了深入认识和理解n h o = c 型氢键作用的本质，达到有效调控蛋白质多 肽体系中氢键强度之目的，本文选取一系列n h o = c 氢键二聚体为研究对象，探讨不 同取代基对n - h o = c 氢键强度的影响。本文研究结果对蛋白质多肽功能分子材料的模 拟研制有重要指导价值。 1 2 计算方法 图1 1 为本文研究的氢键二聚体。甲酰胺是含有肽键的最简单的分子，人们对甲酰 胺二聚体中n h o = c 氢键做了大量的研究 6 , 1 7 - 1 8 ，研究表明，最稳定的甲酰胺二聚体构 象为包含两个氢键的头尾相接的环结构。本文主要研究取代基对n h o = c 氢键强度的 影响，所以我们选取只有一个氢键的甲酰胺二聚体体系为研究对象( 如图1 1 ) 。使用 m p 2 6 3 l + g 方法优化几何结构，并进行频率计算来确定所得的结构是稳定构型。在 m p 2 6 - 3 i + g 树几何结构基础上，使用m p 2 6 3 1 l + + g ( d ，p ) 、m p 2 6 3 l l + + g ( 3 d f , 2 p ) 和 m p 2 a u g - c c p v t z 方法计算了单点能并进行了基组重叠误差( b s s e ) 校正【1 9 】。全部计算采 用g a u s s i a n0 3 程序包幽】完成。 取代基对氢键二聚体中氢键强度的影响 砣n 一吣c 足r 。 。主 占 。夕c n 图1 1本文所研究的氢键r 一聚体( r i = - e t , m e ，删e ，- n h 2 ，- h ，c o n h 2 ，- c o m e ，- c l i o ，- c f 3 ，- n 0 2 ， r 2 = h ；r l _ h ，r 2 = - e t ，- b h 2 ，- c o m e ，- c h o ，- c n ) f i g 1 1 t h eh y d r o g e n - b o n d e dd i m e r ss t u d i e di nt h i sp a p e r ( r i = - e t , 一m e , - n h m e ，- n h e ，一h ， 一c o n h 2 , - c o m e ，- c h o ，- c f 3 , - n 0 2 ，r 2 = h ；r i = h ，r x = - e l - b h 2 ，- c o m e ，- c h o ，一c n ) 1 3 结果与讨论 1 3 1 质子受体分子中的取代基r 1 对氢键强度的影响 图1 2 是甲酰胺二聚体( r i = - h ) 和取代基r l 取代质子受体分子中氢原子的l o 个氢键 二聚体的结构及相关几何参数。由图1 2 可以看出，与甲酰胺二聚体( r i = - h ) 相比，r l 为供电子基团使氢键键长r ( h o ) 缩短；r l 为吸电子基团使氢键键长r ( h o ) 伸长。例如， 甲酰胺二聚体中的r ( h o ) 为1 9 7 3a 。当r l 为供电子基团e t 时，r ( h o ) 为1 9 4 8a ，缩 短了0 0 2 5a ；当r 1 为供电子基团- n h 2 时，r ( n o ) 为1 9 6 2a ，缩短了0 0 1l