（食品科学专业论文）分子模拟在红曲色素分子修饰及功能设计上的应用.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的尽我所知，除了文中作了标注和致谢中己作 了答谢的地方外论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：镝走套 日期：i 岁罗口 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书口 不保密，本论文属于不保密。日， 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：饷爻丧日期：。k 7 多乡口 指导教师亲日期：、 夕弓。 福建农林大学硕士学位论文分子模拟在红曲色素分子修饰及功能设计上的应用 摘要 本文采用分子力学及分子动力学模拟，分别建立了l a t n l 2 9 8 1 5 k 时红曲红素和水溶性 红曲红素的稳定构象；然后以稳定构象为模型基础，借助密度泛函理论计算，研究了分子的 电荷分布及反应活性；同时通过分子动力学模拟周期边界条件下溶液体系的势能，解释和验 证了红曲色素在不同外场条件下的稳定性。最后，借助分子模拟方法对耐酸性红曲色素进行 分子设计及性能预测；同时，采用实验方法对分子模拟结果进行验证。 红曲红袁优势构象的d f r 计算表明，由c 1 、( 2 3 、c 4 、c 5 、c 6 、c 7 、c 9 、c 1 _ 0 、c l l 、 c 1 2 、0 2 1 组成的共扼体系所含净电荷数为- 0 4 1 8 4 5 ，约占分子总负电荷数的1 4 3 ；正电 荷主要分布于( 2 3 、c 1 6 、c 1 9 其电荷数分别为o 1 2 9 5 7 、0 1 1 6 4 、0 1 5 6 9 6 4 。同时借助理论 计算可推测红曲红素分子存在三个反应活性部位，即由c 1 9 - 0 2 0 0 2 8 - l - 2 组成的内酯基团， 以及c 3 - - - 0 2 1 、c 1 6 0 1 7 构成的两对羰基；解释了红曲红素分子的衍生化机理，即碱解法 制备水溶性红曲红素和含硫化合物制备红曲黄色素的可行性。 分子动力学模拟结果表明，随着温度的升高，水溶性红曲色素溶液体系势能不断升高 即体系内的分子相互作用不断增强，体系趋向于更不稳定的状态，这与色素溶液的热稳定性 实验结果一致。对不同p h 溶液体系的分子动力学模拟表明：当溶液p h 为4 0 1 0 0 时，体 系势能值维持在3 2 5 0 0 k c a l 附近，处于较低水平；当p h l l 时，能量也急剧增加， 体系处于不稳定状态。这一结果解释并验证了色素溶液的酸碱稳定性 对水溶性红曲红素模型的d f f 理论计算发现：水溶性红曲红素存在着三个反应活性部 位。其中，由0 1 9 - - h 2 0 组成的羟基( o h ) 反应活性较大，极易在路易斯酸条件下与( 如 酸酐、强酸、酰卤等) 亲核试剂发生亲核取代或亲核加成反应 根据分子模拟结果，本研究制备了耐酸性红曲色素，并对其性能进行了裹征。实验结果 表明：耐酸性红曲红色素具有极强的耐酸性，可在p h l 0 溶液中完全溶解：除了f e “对其有 较大影响外，其余金属离子对其稳定性均无影响；其光稳定性比水溶性红曲红色素有所提高， 但长期光照仍会使其褪色：反应后的红曲色素仍保持良好的耐热性。 关键词：分子模拟，红曲色素，分子修饰，功能设计，应用 福建农林大学硕士学位论文 分于模拟在红曲色素分子修饰及功能设计上的应用 a b s t r a c t f i r s t ，t h e d o m i n a n tc o n f o r m a t i o no fm o n a s c o r u b r i na n dt h ew a t e rs o l u b l e m o n a s c o m b r i ni nt h ec o n d i t i o no fl a t i n , 2 9 8 1 5 kw a se s t a b l i s h e dr c s p e e t i v e l y , t h r o u g hm o l e c u l a rm e c h a n i c sa n dm o l e c u l a rd y n a m i c s t h e nb a s e do nt h ed o m i n a n t c o n f o r m a t i o n ，t h ec h a r g ep o p u l a t i o na n dr e a c t i o na e l i v i t yo ft h em o l e c u l e sw e r e s t u d i e d , t h r o u g hd e n s i t yf u n c t i o nt h e o r yc a l c u l a t i o n ；m e a n w h i l e ，t h es t a b i l i t yo ft h e m o n a s c u ad y eo nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a si n t e r p r e t e d ，w i t ht h es i m u l a t i o no ft h e p o t e n t i a le n e r g yo f t h ea q u e o u ss o l u t i o ni np e r i o d i cb o u n d a r yc o n d i t i o n sb ym o l e c u l a r d y n a m i c s i nt h ee n d ，t h em o l e c u l ew i t ha c i ds o l u b l eq u a i l t yw a sd e s i g n e d , a n di t s q u a l i t yw a sa n t i c i p a t e db ym o l e c u l a rs i m u l a t i o n o nt h eo t h e rh a n d , t h es i m u l a t i o n r e s u l t sw e r ev a l i d a t e db yr e a le x p e r i m e n t s n er e s u l t so f t l i ec a l c u l a t i o no f m o n a s c o r u b r i nb yd f tw e l es h o w n 鹋b e l o w t h e n e tc h a r g eo f t h ec o n j u g a t e ds y s t e mw a s o 4 1 8 4 5 ，c o n s i s t i n go f c l ，c 3 ，c 4 ，c 5 ，c 6 ， c 7 ，c 9 ，c i o ，c l l ，c 1 2a n d0 2 1 ，a b o u t1 4 3p e r c e n to ft o t a ln e g a t i v ec h a r g ei nt h e w h o l em o l e c u l e ；m e a n w h i l e ，t h ep o s i t i v ec h a r g ew a sm a i n l yp o p u l a t e di nc 3 ，c 1 6 ， c 1 9 ，w i t h t h e n e tc h a r g eo f 0 1 2 9 5 7 ，0 1 1 6 4 ，0 1 5 6 9 6 4r e s p e c t i v e l y o n t h e o t h e r l i a n d , t h r o u g ht h et h e o r yc a l c u l a t i o n , i tw a ss p e c u l a t e dt h a tt h e r ew e r et h r e ea c t i v er e a c t i o n p o s i t i o n si nt h em o n a s c o m b r i nm o l e c u l e , f o re x a m p l e , t h ei n t r a r n o l e c u l a re s t e rg r o u p c o m p o s e do f c l 9 ，0 2 0 ，0 2 8 ，c 2 ；a n dt h eo t h e rt w oc a r b o n y lg r o u p s ，c o n s i s t i n go f c 3 ， 0 2 1a n dc 1 6 ，0 1 7r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h ep r i n c i p l eo fi t s d e r i v a t i o ni si n t e r p r e t e d t h er e s u l to fm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h ep o t e n t i a le n e r g yo f t h em o n a s c u ss o l u t i o ns y s t e ma r o s ew i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g , t h a ti st os a yt h e i n t e r a c t i o no ft h em o l e c u l e sw i t h i nt h es y s t e mi n t e n s i f i e dc o n t i n u o u s l y , e n dt h e s y s t e mw e n tt o w a r dt h em o r eu n s t a b l es t a t e ，w h i c ha c c o r d e dw i t ht h er e s u l ts h o w n f r o mh e a ts t a b i l i t yt e s t i n go fm o n a s c u ss o l u t i o n t h em o l e c u l a rd y n a m i c si nt h e s o l u t i o no fd i f f e r e n tp hv a l u e ss h o w e dt h a tt h ep o t e n t i a le n e r g yo ft h es y s t e mw a si n t h el o w e rl e v e la b o u t - 3 2 5 0 0 k c a l 谢mt h ep hv a l u ef r o m4 0t o1 0 0 h o w e v e r , t h e e n e r g yi n c r e a s e ds h a r p l yw i t ht h ep hv a l u eb e l o w3 5 a n dt h es y s t e me n e r g yw a si n t h eh i g h e rl e v e l ，w h i c hw o u l dl e a dt ot h ei m b a l a n c eo ft h ee q u i l i b r i u m o nt h eo t h e r h a n d ，t h ee n e r g ya l s oi n c r e a s e ds h a r p l yw h e nt h ep hv a l u ea b o v e1 1 0 ，l e a d i n gt o u n s t a b l es t a t e i naw o r d , a l lo ft h es t a t i s t i ci n t e r p r e t e dt h es t a b i l i t yo ft h ew a t e r 2 蝠建农林大学硕士学位论文 分于模拟在红曲色索分子修饰及功能设计上的应用 s o l u b l em o n a s c u sd y es o l u t i o ni nt h ed i 匝舶e i l tl 【i n do f p hv a l u e f u r t h e r m o r e i tw a ss p e c u l a t e dt h a tt h e r ew e r et h r e ea c t i v er e a c t i o np o s i t i o n si nt h e w a t e rs o l u b l em o n a s c o r u b r i nm o l e c u l e ，b yt h ec a l c u l a t i o no fd f t0 nt h em o d u l e t h e r e i n t o ，t h eh y d r o x y lg r o u pc o m p o s e do f0 1 9a n dh 2 0w a so fh 咖r e a c t i o n a c t i v i t y , a n dw o u l de a s i l yr e a c to i lt h en u c l c o p h i l es u c ha sc a r b o x y l i ca c i da n h y d r i d e ， a c y lh a l i d eo nt h ec o n d i t i o no f l e w 捃a c i d i nt h ee n d ，t h ea c i ds o l u b l em o n a s c u sd y ew a sp r e p a r e da n di t sp r o p e r t yw a s c h a r a c t e r i z e d , b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h et e s t i n gs h o w e dt h a tt h en 洲 d e r i v a t i v ew a so f h i g hs o l u b i l i t yi na c i ds o l u t i o n i tc o u l db es o l v a t e de n m p l e t e l yw e l l i nt h es o l u t i o no fp h l 0 ，a n dt h em e t a li o n sh a dn oe f f e c to ni t ss t a b i l i t ye x c e p ti r o n i o n i t ss t a b i l i t ya g a i n s ts u n l i g h tw a sl i t t l e1 1 i g i l e rt h a ni t sw a t e rs o l u b l ec o u n t e r p a r t a n di tw o d ds t i l lf a d eu n d e rt h el o n g - t e r me x p o s u r eo ns u r d i g h lh o w e v e r , t h e s t a b i l i t yo f t h en e wr a m i f i c a t i o na g a i n s th e a tw a se x c e l l e n t k e yw o r d s ：m o l e c u l a rs i m u l a t i o n , m o n a s c u sc o l o r a n t , d e r i v a t i o n , f u n c t i o n a l d e s i g n , a p p l i c a t i o n 3 镉址农林人学颂i j 学位论文分丁模拟打熏l f 也素分了修饰成功能砹汁卜的一用 l 引言 1 1 红曲色素及其衍生物的研究状况 红曲又称红曲米，其发明至今已有一千多年的历史，它是以稻米蒸熟后接种 红曲霉( m o n a s e u s ) 发酵制成的，可直接作为天然色素来使用，安全性高。红曲色 素是从红曲中提取而来，也是红曲霉产生的主要生理活性物质之一。传统上，红 曲色素因其独特的着色性能而被广泛用于食品着色2 1 。近年来，由于食品安全性 问题，红曲色素的开发受到广泛关注。 红曲色素的研究与开发一直是国内外天然色素研究的热点。目前。对红曲色素 的研究主要从以下几方面进行：( 1 ) 对红曲霉新陈代谢规律进行研究，采用代谢调 控或基因表达，使红曲色素产量有所提高 ”。( 2 ) 改进发酵工艺，使有效成分易于 分离提取【4 】。( 3 ) 一些红曲霉发酵产生的红曲中存在类毒素物质，因而有必要对红 曲色素的生产菌进行筛选纯化【5 。( 4 ) 红曲色素衍生物的开发，以扩大红曲色素品 种和应用范围m 】。 天然红曲色素是一类醇溶性色素，它的主要成分是红曲红素和红斑素，它们 只能溶于乙醇等醇类物质。在国外，日本专利( 7 34 4 8 8 0 ) 公开了水溶性红曲色 素的专利申请，利用红曲红素和红斑素与水溶性蛋白质、多肽和氨基酸作用，形 成具有水分散性的复合物以达到溶解于水的目的。这一制备过程复杂，有可能引 入过量的杂质。 美国环球油品公司在中国申请了“由红曲红素和红斑素得到的水溶性色素作 为食品着色剂”的专利，公开号c n l 0 5 8 5 1 9 a ，公开了红曲红素和红斑素通过与 带伯胺官能基有机物反应，可转化成高纯度的水溶性红色色素，随后将环羰基还 原成羟基，可转化成为高纯度的黄色水溶性物质，这种水溶性色素在制备过程中， 采用硼氢化钠作为还原剂，生产成本高，且可能引入有害物质。 近年来，本课题在对红曲色素文献进行系统检索，对红曲色素的成分分析、 分离方法、结构改性和性能表征进行了一系列探讨的基础上，制备了一系列红曲 色素衍生物。首先采用浓缩结晶法提取醇溶性红曲红色素，并确定其最佳提取工艺 条件。红曲色素的分离提取方法直接影响其产品及后续衍生产品的质量和效益。 针对目前生产上常采用的提取浓缩法或发酵液直接浓缩法存在的缺点，如：工艺 复杂，产品不易干燥，而且纯度较低，耐酸性也不好等；我们采用浓缩结晶法从 4 塥连杠林人学俩i 学位论史仆了模拟礼红i r 也案分了修饰披上j j 能改计1 ：的应用 红曲中分离红曲色素，并探讨了溶剂浓度、温度、时问、物料用量比例等因素对 色素提取率的影响i9 1 。结果表明，采用浓缩结晶法，避免了高浓度时红曲中溶解 性糖类对浓缩干燥过程的干扰，减少了杂质夹带，降低了物耗，提高了产品纯度。 生产实践证明，这是一条切实可行的工艺路线，其工艺流程如下：红曲米一浸提 一过滤一预浓缩一脱杂质一浓缩一结晶一分离一粉碎一干燥一包装。 采用碱解法制备水溶性红曲红色素，将醇溶性红曲红色素分子中含有的内酯 键碱解，生成羧酸盐，提高其亲水性。采用这一方法，我们解决了红曲红色素的 水溶性问题；再用含硫化合物还原法制备水溶性黄色素，即以含硫化合物使红斑 素和红曲红素分子中的环羰基还原成羟基，缩短其共轭链，使分子中的共轭体系 减小，分子在可见光区中的最大吸收峰紫移，颜色由红色变成黄色。 对上述开发的红曲色素衍生物的理化性能及稳定性测定结果如图l 所示： 表l 红曲色素衍生物性能比较 t a b l e1t h ec o m p a s o no f p r o p e r t i e si nm o n a s c u sp i g m e n t sd e r i v a t i v e s 指标醇溶性红色素 水溶性红色素水溶性黄色素 k m ( r i m ) 5 0 04 8 8 4 7 6 溶解性溶于乙醇溶于水溶于水 ( p h 5 5 ) 、乙醇 ( p h _ 3 0 ) 、乙醇 色调 色调均不随p h 变化 耐热性于1 0 0 下加热2 h ，吸光度下降率均低于5 耐光性光照对色素稳定性有一定影响，碱性条件下的光稳定性高于 酸性条件下 金属离子 s n z + 、a 1 3 + 、f e 3 +s n 2 + 、c a 2 + 、f e 3 + 、 的影响对各种离子稳定基本上不影响稳 3 + 定性不影响其稳定性 从上表可以看出，红曲色素及其衍生物具有良好的溶解性能，特别是耐热性、 耐金属离子性，可以广泛地应用于食品加工的各个领域。同时，在对水溶性红陆黄 色素安全性评价时，我们按照食品安全毒理学试验方法”，进行了l d 5 0 小鼠蓄积 毒性试验，小鼠精子畸形试验，小鼠微核试验和a m 鼯试验，结果表明，开发的水 溶性黄色素可以达到无毒水平。 福建农林人学顾i ：学位论史分了模拟n ：红 f f f 也索分了修饰及助能设计卜的应用 因此在现有研究水平上研究和开发红曲色素系列产品，提供具有我国特色的、 溶解性配套的、稳定无毒的红曲红、黄色素产品的生产方法，以便取代安全性较 差的合成色素，对于保障人民身体健康，提高农副产品的经济价值，均具有积极 深远的意义。 1 2 分子模拟及其在分子设计上的应用 分子模拟是一种计算机实验，是从原子水平上的相互作用出发，借助计算机 数值模拟的方法得到分子的结构、动力学、热力学方面的信息，以研究这些信息 与功能之间的关系。 计算机分子模拟主要包括计算化学( ( c o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y ) 和分子模拟 ( m o l e c u l a rm o d e l i n g ) 两个范畴。计算化学是指化学中的计算方法及其应用，包括 分子的量子力学从头算和复杂的分子聚集体系的动力学计算：分子模拟是指用实 际原子模型对复杂的化学体系进行描述，并对其宏观物理性质进行预测的一般方 法。其中宏观物理性质包括静态的平衡性质，例如体系的平均势能和酶抑制剂的 束缚常数等等；以及动态的非平衡性质，例如液体的粘度，膜层中的扩散过程， 反应动力学等等。在实际的分子模拟中采用什么样的工具和方法应当依赖所要模 拟的对象以及所需要的模拟结果来确定。倒如时间依赖的s c h r o d i n g c r 方程可以对 分子体系进行高精度的计算和描述，然而这种从头算( ( a bi n i t i o ) 方法目前只可以用 于含有少量原子的分子体系( 一般在几个到几十个原子) ，对于更复杂的如生物大分 子体系则只能采取其它的近似方法。 近2 0 年代以来，计算机技术的发展为分子模拟提供了很好的计算基础，分子 模拟软件的开发，又为用户提供了强有力的手段去洞察分子的内部结构，从而为 在原子水平上了解物质的结构与性能的关系，提供了基础条件和可能性 1 0 - 1 3 】。分 子模拟技术能以图形方式直观地显示分子的多种性质，如分子体积、表面积、分 子轨道、电子云密度、电子自旋，分子静电势、疏水或亲水区、基团的极性和分 子的溶剂亲和面积等。它能提供以下信息：( 1 ) 分子的三维结构：( 2 ) 分子的物 理和化学性质；( 3 ) 一分子与其他不同分子之间的结构特征：( 4 ) 预测相关的新 分子的结构特征；( 5 ) 各种分子的构象变化、柔韧性及动力学性质【l4 】；( 6 ) 研究 分子的反应性( 例如从轨道能量、组合系数、节点性质等研究分子不同取代基的 相对反应性、反应选择性以及亲核、亲电进攻位置等等) ：( 7 ) 计算并估计化学 桶硅收林人学坝l 学位论c =分，模拟“红【f i 包鬃分子修饰殷功能砹计i ：的埘用 反应机理和途径：( 8 ) 研究分子的结构一性质( 活性) 关系( q s p r q s a r ) 等。 随着分子模拟技术的飞速发展，已经形成了形形色色的功能强大的计算机分 子模拟软件。目前应用于生物分子计算与图形烛理的软件主要有美国m s i 公司的 l n s i g h ti i 和q u a n t a 软件，应用于量化计算软件主要有g a u s s i a n ，g a m e s s 等软件， 用于分子设计和生物大分子研究的软件有s y b y l d o c k ，a u t o d o c k , g r o m o s 、 g r o m a c s 、s i g m a , a m b e r , c h a r r a m 等等，所有这些软件都在不断地完善，以 完成更大更精确的计算和模拟任务。 生物分子的计算机模拟研究，已成为十分活跃的研究领域。分子模拟的显著 优势在于：在进行昂贵的实验合成、表征、加工、组装和测试之前先利用计算机 进行材料的设计、表征和优化。理论和模拟可以预测出目前实验条件所无法测出 的理想结果，并可以对整个新材料的合成、设计进行高效的思考c 1 2 i 。分子模拟是 结构化学的理论研究方法之一，可获得与分子结构有关的大量信息，如构象能、 分子内共轭体系及各种极性基团的种类和位置。它已成功应用于蛋白质，多糖等 生物分子构象的研究 1 5 - 1 6 。目前，国内外分子模拟技术对在天然色素分子修饰方 面的应用还未见报道。 1 3 研究开发红曲色素衍生物及其构效关系的意义 充分利用生物资源，提取和分离其中的有效成分，开发具有特异活性功能的 深度加工产品，是当前农业生物技术应用研究的重要方向。红曲菌因其容易培养 并能特异性地产生天然色素，自古以来为人类所关注和利用。由于红曲菌代谢生 成的红曲色素具有安全性好和稳定性高的优点，已成为具有我国特色的食用色素 品种，被广泛应用【1 7 , 1 8 】。近年，由“苏丹红”事件引发的全社会对食用色素安全 性的关注，更凸显了开发安全型食用色素的紧迫性和重要性。 对生物资源的有效成分进行分离、提取和改性，按照其用途筛选和设计其物 性，进而开发和拓宽其功能，有利于提高自然资源利用率。应用先进的科学方法 和手段，理性地指导创新实验，有利于节约资源和人力，推进技术进步。 当前在红曲色素衍生物的开发上还仅限于醇溶性和水溶性的产品上，对于一 些具有特殊溶解性能( 如酸溶性、脂溶性、油溶性) 和稳定性能( 耐光性) 的色 素还强于空白阶段。目前市场上的一些同类色素产品因其不稳定性和安全性而受 到限制，因此开发安全可靠的红曲色素系列产品具有更大的科学意义和实用意义。 祸迎农林人学硕i ：学位论文 分了模拟n 血| i 也袁分了修饰及功能鞋计：的府用 本项目在前期积累了大量红曲色素及其衍生物丌发研究成果的基础上，进行 系统性理论提高，探讨红曲色素及其衍生物的构效规律。采用分子模拟方法模拟 红曲色素及其衍生物与其它分子的作用过程，从理论上预测红曲色素衍生物的空 间构型，并将分子模拟技术应用于红曲色素及其衍生物的分子结构修饰和功能设 计，在此基础上进行实验验证和拟合，进而揭示红曲色素构效关系的客观规律， 为红曲色素系列产品的设计、合成与评价提供科学的理论基础。 运用分子模型的方法可以从理论上模拟色素及其衍生物分子活性部位可能发 生的化学反应，并能合理预测出它与其它分子作用的结果，从而对制备具有特殊 功能的天然色素( 如改变色素的溶解性、显色性能、光稳定性等) 具有一定的指 导意义。虽然分子模拟的优点众多，但是不可避免地具有某些局限性。因为这些 方法毕竟是根据有限的实验数据，应用一些数学物理模型来模拟客观事实，很可 能会出现遗漏现象，并且不能烛理生理相关性，所以还不能取代以实验现象为基 础的分析方澍1 9 2 0 。为了弥补缺陷，在预测结果的同时，相应的实验研究还是必 不可少的【2 1 丑1 。 因此，通过对红曲色素及其衍生物分子结构和功能的模拟，经过实验验证， 展示其间的内在关联，揭示其自然规律，进而为工业生产提供科学依据，是十分 必要的。 1 4 研究方法简介 分子模拟又称“计算机模拟”或。计算机实验”，是一种根据实际体系，在计 算机上进行的实验，通过比较模拟结果与实际体系的实验数据来检验模型的准确 性，进而可检验由模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功。一般说来，分 子模拟方法主要有4 种：量子力学、分子力学、分子动力学和分子蒙特卡洛方法。 本论文主要采用前3 种方法，现简要介绍如下。 1 4 1 量子力学计算方法 1 4 1 1 分子轨道理论方法( m o s c f ) 根据量子力学原理，分子性质可通过s c h r o d i n g e r 方程来获得： h 归e 矿 ( 2 1 ) 其中h 为体系的哈密顿算符矿为体系针对哈密顿算符的本征函数，e 为本 征值，是体系的总能量。在计算体系能量时，在物理模型方面使用了三个近似： 福挫农林人学硕1 ：学位论义 分了模拟礼红曲也煮分了修饰厦功能世计i ：的应用 1 ) 非相对论近似，电子的质量取其静止质量m o 而忽略相对论效应。这一 假设带来的误差通常是可忽略的，但对于重元素尤其是超锚元素，其内层电子速 度可高达三分之一光速，对价层电子的行为带来很大影响必须作出相对论修正。 2 ) b o r n o p p e n h e i m e r 近似，亦称绝热近似。由于电子质量远小于核质量， 其运动速度比后者高若干个数量级，当核的位置发生微小变化时，电子能迅速调 整自己的运动状态以适应核变化后的势场，因此b o r n 和o p p e n h e i m e r 建议将核和 电子的运动分开来烛理，分子的总波函数为核波函数和电子波函数的乘积。 3 ) 轨道近似，n 电子体系的波函数可以写成n 个单电子波函数的乘积。量 子化学从头算( a bi n i t i o ) 就是指在这三个基本近似的基础上，不再引入任何其它假 设的“第一原理计算”。 在三个基本近似下，使得单s l a t e r 行列式波函数，推导电子总能量的表示式， 以分子轨道的正交归一为约束条件，对总能量变分，导出满足能量极小的方程， 就是h f 方程，它是分子轨道理论中最基本的方程。r o o t h a a n 方程是在h f 方程 基础上，引进原子轨道线性组合成分子轨道方法，使h f 方程从积分方程组转化 为线性代数方程，只对分子轨道的系数变分，求解过程大大简化，因此是分子轨 道理论实际计算的基本方程。h a r t r e e f o r k r o o 廿l a a n 方程则是基于自洽场方法的 分子轨道理论。 1 4 1 2 半经验量子化学方法 由于在求解r o o t h a a n 方程时，会遇到多中心积分，导致计算非常困难。为了 适应实际工作的需要，对上述部分以经验参数计算拟合，由此形成了半经验量子 化学方法。根据对微分重叠不同程度的忽略，形成了一系列半经验计算方法： 1 ) 全略微分重叠c n d o 2 ( c o m p l e t en e g l e c to f d i f f e r e n t i a lo v e r l a p ) ； 2 ) 间略微分重叠i n d o ( i n t e r m e d i a t en e g l e c td i f f e r e n t i a lo v e r l a p ) ： 3 ) 改进的间略微分重叠m i n d o 3 ( m o d i f i e di n d o ) ： 4 ) 忽略双原子微分重叠n d d o ( n e g l e e to f d i a t o m i cd i f f e r e n t i a lo v e r l a p ) ： 5 ) 改进的忽略双原子微分重叠m n d o ( m o d i f i e dn d d o ) ； 6 ) a m l ( a u s t i nm o d e l l ) 对m n d o 进一步修改和发展，结果较精确； 7 ) p m 3 ( p a r a m e t r i cm e t h o d 3 ) 在a m i 基础上使用不同参数值； 8 ) z i n d o ( z e m e r i n d o ) 可用来计算过渡金属； 9 鬲建农林人学碘i 学位论文分了模拟以红f f f l 也翥分了修饰及功能改汁i ：的应用 凡协一崭p 比 = g ：1 ) ( 2 2 ) y 。p ，伊) = ( - 1 尸i c o s 0 ，( 2 3 ) 类氢离子波函数在低能量时是一分立谱，只有把高能量的连续谱计算在内， 才是完全集合。做分子轨道计算时，由于径向的关联l a g u e r r c 多项式积分难以计 算，迭代收敛很慢，后改用s l a t 盯函数。 0 福建农林人学硕j 学位论文 分了模拟n 兰l 抽也裳分了修饰发功能垃汁l 的应用 2s l a t e r 函数 s l a t e r 在量化计算中发现，类氢波函数的计算瓶颈在径向函数部分，即加以 改造，提出新的径向函数，角度部分仍沿用球谐函数，后人称之为s l a t e r 函数 ( s t o ) 。 伊= r 。( r ，f ) h ，缈) ( 2 - 4 ) 尼。= 2 陷所r “e 一乒 = c ，“e 一争 ( 2 5 ) s l a t e r 函数在类氢原子轨道的基础上，对径向部分的指数；加以内层电子静 电屏蔽校正，并改造成无径向节面的函数形式。轨道指数f 的值为 ， z 一口 岛2 、( 2 6 ) ，z ” 式中：z 为核电荷；口为屏蔽常数；n ，为有效量子数。可以按照s a t e r 规则 确定轨道指数f ，或者按照b u m s 方法更细致地考虑屏蔽作用。 与类氢原子轨道相比，采用s l a t e r 型轨道可以大大减少计算积分时数学处理 的复杂性，但是由于s t o 没有径向节面，不同的s t o 之间一般互不相交，即使 采用了b u r n s 方法，单一的s t o 轨道还不能很好地逼近子轨道。采用s l a t e r 函数 的线性组合，能更好地逼近a r 优f o r k 原子轨道。 3 g a u s s 函数 可以用g a u s s 函数拟合s l a t e r 函数，并计算积分。g a u s s 函数用球坐标表示： x = r “( r ，口j y i 。( 秒，9 j 角度部分仍用球谐函数，径向部分表达为 ( 2 7 ) 镉逃农林人学顾f 。学位论文 分了模拟“：红f | 也素分了修饰及功能跛计j ：的心用 r “( 懈) ：2 ” ( 2 ，? 一1 ) 叮( 2 万) ，“e 1 ，1 = d ，矿y ( 2 8 ) 从理论上讲，只有用无限多的g t o 函数的线性组合，才能完全拟合s t o 函 数，而在实际计算中，对于不同精度要求，就必须使用相应的近似。另一方面， 也只有无限多的基函数组，才能绝对精确地计算，而同样要有一些近似： 1 ) 价轨道基组：在选择基函数时，我们只选取一个原子的价电子轨道作为基 函数： 2 ) 极小基组：在选择基函数时，我们不仅选择价电子轨道，也选择所有内层 轨道； 3 ) 扩展基组：为了获得更好的计算结果，基组包括上述轨道外，还包括一些 价电子层外的轨道。 从头算方法是较为精确的计算方法，对于某些体系，甚至可以达到化学精度， 从而除理论化学研究外，也逐渐为实验化学所重视。但是由于仍然存在近似的关 系，即使使用很复杂的基组，也只能达到一个所谓“h a r t r e e f o r k 极限”，不能绝 对精确计算真实能量，而且这种方法用时很多。 1 4 1 4 密度泛函理论 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 ) 以电荷密度为基本量。其基本思 想是多电子体系基态能量是电子密度的单变量泛函。 e - f r ( 厂) + p ( 厂) 1 + v s p ( 厂) p ( r ) d r 其中t ，j ，v 分别为动能、静电( 库仑) 能和交换相关能量泛函，p 纠为，处的电子 密度。在形式上密度泛函理论的基本方程与h a 舭e f o c k 理论是一致的，只是将 f o c k 算符换成了能量泛函，并引入了更具有普适性的交换相关能量泛函以代替 交换势函数。 1 2 福挫农林人学硕i 。学位论文分了模拟订红f n 包禁分了修饰披功能设计：的麻用 d f t 提供了第一性原理或从头算的计算框架，它可以解决原子、分子中许 多问题，如电离势的计算、振动光谱的研究、催化活性部位的选择、生物分子的 电子结构等。在凝聚态物理中，可研究金属的相变、材料的微观结构与电子结构。 d f t 与分子动力学结合的分子模拟，是当| j 理论化学研究化学反应动念过程的有 力工具，成为当前国际研究的主流方向。 1 4 1 5 势能面及几何构型优化 包含n 个原子的非线性分子体系的势能为p 琦f ，q 2 q 3 ：q - 6 ) ，其中因为在直角 坐标空间中，体系质心的三个平动及绕质心的三个转动自由度对势能矿没有贡献， 因此该分子体系的独立坐标数目为3 n 6 ，势能函数在坐标空间的图像称为分子势 能面( p o t e n t i a le m e r g ys u r f a c e , p e s ) 。从初始几何构型出发寻找v 在p e s 上的极小 值的过程称为几何构型优化或者能量极小化，而在能量极小点处的分子构象称为 平衡构型。在一个局部极小点，v 对3 n 6 个独立坐标分量的偏微分均为0 ，但相 应的二阶偏微分皆为正值，即满足： 里乱互 0 , v i = 1 , 2 , - - - 3 n 一6 d g 。 叼 ( 2 9 ) 寻找p e s 上的能量最低点也即最稳定的平衡构型是计算化学中的首要任务， 因为分子在平衡态的性质是最常见最具代表性的，只有确定了它的稳定构型，才 有可能对它在平衡态的各种物理和化学性质，如电荷布居、偶极矩、光谱性质、 反应性等进行计算和预测。 1 。4 1 6m u l l i k e n 布居分析 分子的极性、极化率、磁化率、化学键强度和化学反应活性等性质都与电 荷在分子中的分布有关。本文中采用m u l l i k e n 方法对所涉及的体系采用a bi n i t i o 和d f t 方法布居分折。m u l t i k e n 方法是利用自洽场计算得到的m o 展开系数以获 得电子分布直观信息的一种简便方法。此外，用m u l l i k e n 方法还可以求得分子中 原子的键级参数。 除了m u l l i k c n 方法外，对分子中电子的布居分析方法还有自然键级( n a r l r d d b o n d o r d e r , n b o ) 分析和分子中的原子( a t o m si nm o l e c u l e s ，a r m ) 方法等等。本文 镉缱农林人学硕：学位论上 分了模拟札组【f 1 也索分了修饰厦上j j 能改计 ：的心用 选择了最为简单，并且结果具有可靠性的m u l l i k e n 方法对分子体系中的电荷分和 进行了分析。 1 4 1 7 溶剂效应 一般的量子化学计算，主要讨论孤立分子的能量和它们的物理、化学性质。 实质上，大部分化学反应在溶液中进行，许多生物体的生化过程也是在液相中进 行的，而气相反应在化学反应中只占很小的部分。目前讨论体系溶剂效应的方法 有两大类：第一种类型考虑的溶液效应，主要是溶质分子由于溶剂的影响而发生 的行为变化；第二种类型需要考虑一个块状液体，例如讨论溶液中的扩散速率。 本文采用分子动力学方法来研究分子在水中的动力学行为。 1 4 2 分子力学 m m 基于比较简单的模型，即只考虑分子中化学键的伸缩、旋转和键角变化 等，建立分子力场( m o l e c u l a rf o r c ef i e l d ) ，运用经验势能函数公式进行计算分子内 部或分子间的各种相互作用，计算公式中采用了大量的经验参数，因此大大简化 了计算过程。利用分子力学计算，可以寻求分子的平衡构象及能量。因而该方法 己成为分子模拟方法的重要组成部分。与量子力学的从头计算和半经验方法相比， 分子力学计算大分子体系可以大大节省计算时间，而且在大多数情况下，用分子 力学方法计算得到的分子几何构型参数与实验值可在实验误差范围之内。 分子力学的基本理论认为，即一个分子力场可由分子内相互作用和分子间相 互作用两大部分构成，分别对应于键伸缩、角弯曲、扭转运动、偶合作用以及v a n d e r w a a l s 相互作用和静电相互作用；它从经典力学的角度来描述分子中原子的拓 扑结构，原子之间的拓扑结构由一种分子力场确定。分子力场是原子尺度上的一 种势能场，有一套势函数和力常数构成，描述特定分子结构的体系能量。该能量 是分子体系中成键原子的内坐标的函数，也是非键原子对距离的函数。 分子力学的力场函数可用下式表示： e s = - v e s t + e b + z e t o r + e e v d w + e d i p + e 一 ( 2 - 1 0 ) 其中： 西r = 吾后以一，j( 2 1 1 ) e a t 是伸缩能，岛是键伸缩力常数，是键长1 0 是无张力条件下的键长。 4 镉硅农林人学顾 。学位论义 分了模拟d 熏l | f i 也煮分了修饰成功能垃计卜的戍用 e b = i 1k e 婶一8 毒 ( 2 1 2 ) 厶是键面弯曲能，七一是键角弯曲常数，口是键角，ao 是无张力条件下的键角。 e 。= 套( 1 一c o