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latm,298.15K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。 红曲红素优势构象的DFT计算表明，由C1、C3、C4、C5、C6、C7、C9、C10、C11、C12、021组成的共扼体系所含净电荷数为-0.41845，约占分子总负电荷数的14.3％；正电荷主要分布于C3、C16、C19，其电荷数分别为0.12957、0.1164、0.156964。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C19-020-028-C2组成的内酯基团，以及C3-021、C16-017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pH溶液体系的分子动力学模拟表明：当溶液pH为4.0-10.0时，体系势能值维持在.32500kcal附近，处于较低水平；当pH<3.5时，体系势能陡然上升，体系能量较高，体系平衡极有可能被破坏。同时在碱性区域，当pH>11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DFT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019-H20组成的羟基(-OH)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，并对其性能进行了表征。实验结果表明：耐酸性红曲红色素具有极强的耐酸性，可在pH1.0溶液中完全溶解；除了Fe<'3+>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。

目录

声明

摘要

1引言

1.1红曲红素及其衍生物的研究状况

1.2分子模拟及其在分子设计上的应用

1.3研究开发红曲色素衍生物及其构效关系的意义

1.4研究方法简介

1.4.1量子力学计算方法

1.4.2分子力学

1.4.3分子动力学

2红曲红素的分子模拟及其量化计算

2.0引言

2.1方法

2.1.1模型的建立

2.1.2模型预优化

2.1.3DFT优化及性质分析

2.2结果与分析

2.2.1初始模型图

2.2.2 OPLS力场下模型的势能曲面

2.2.3分子动力学模拟时的能量变化

2.2.4 DFT模拟红曲红素势能面

2.2.5分子优势构象模型

2.2.6原子电荷的Mulliken布居及反应活性部位

2.3结论与讨论

3水溶性红曲红素的分子模拟及其性质研究

3.1分子模型的建立与预优化

3.1.1方法

3.1.2结果与分析

3.1.3小结与讨论

3.2不同外场下水溶性红曲红素的分子动力学模拟及性能表征

3.2.1方法

3.2.2结果与分析

3.2.3小结与讨论

3.3密度泛函理论量化计算与反应活性部位预测

3.3.1方法

3.3.2结果与分析

3.3.3小结与讨论

4耐酸性红曲红素的分子设计、制备及性能表征

4.1耐酸性红曲红素的分子设计与分子动力学模拟

4.1.1衍生物分子模型的建立与优化

4.1.2不同pH值溶液体系的分子动力学模拟

4.1.3小结与讨论

4.2耐酸性红曲红素的制备及性能表征

4.2.1水溶性红曲色素的分离与纯化

4.2.2耐酸性红曲色素的制备与表征

5结论与展望

参考文献

研究成果

致谢