氯化铁卟啉、黄酮类化合物及唯铁氢化酶的密度泛函理论研究

摘要

采用密度泛函理论方法的量子化学计算是当前量子化学计算中应用最为广泛的方法。Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包，可用以研究许多化学领域的课题。本论文利用Gaussian03程序采用密度泛函理论方法计算了氯化铁卟啉与氧气分子作用体系、蜂胶中黄酮类化合物及唯铁氢化酶的几何结构优化、单点能，对各分子体系的几何结构、电子结构进行了详细的分析，并计算了唯铁氢化酶各氧化态的振动频率，分析了其红外光谱。 铁卟啉是金属卟啉化合物的一种，广泛存在于各种蛋白质中，例如血色素、肌血球素、细胞色素P450和过氧化物酶等。此类化合物能够高效催化过氧化氢或有机过氧化物与多种有机酶作用物间的氧化反应。本文对不同自选状态下的氯化铁卟啉、氯化四苯基铁卟啉与氧气分子作用的体系[FePCl-O2]和[Fe(TPP)Cl-O2]进行了结构优化和单点能计算，分析了体系的几何构型、原子电荷、自旋密度、自然布居数及前线分子轨道，结果表明铁卟啉化合物通过Fe的3dz2和3dxz/3dyz原子轨道与O2分子的π*2px/π*2py分子轨道的成建作用向O2分子的单占据反键分子轨道π*2pX/π*2py转移电子使O2分子活化，但铁卟啉与O2分子间的相互作用是很微弱的，铁卟啉对O2分子的活化作用也是微弱的。进一步探索表明，通过升高温度或增大压力缩短O2分子与铁卟啉间的距离可以提高铁卟啉的催化性能，使O2分子的活化变得更容易。 蜂胶具有很好的保健作用，其有效成分是黄酮类化合物。黄酮类化合物具有多种生物活性，包括抗氧化、抗突变、抗衰老、抗肿瘤、抗菌等，其中最为重要的是黄酮类化合物的抗氧化活性。本文选取柯因、高良姜素、山奈酚、桑色素、槲皮素及杨梅酮这6种黄酮类化合物进行密度泛函理论计算，研究了它们的抗氧化活性。对各自失去最大活性位羟基H原子形成半醌式自由基前后的生成热之差、羟基数目和半醌式自由基中可形成分子内氢键数目以及半醌式自由基原子自旋密度分布三个方面分析得出这6中化合物的抗氧化活性顺序为：杨梅酮>槲皮素>桑色素>山奈酚>高良姜素>柯因。黄酮类化合物的几何结构和最高占据轨道与其抗氧化活性间没有相关性。 唯铁氢化酶是氢化酶的一种，存在于某些厌氧性微生物体内，能够高效地催化产生氢气。氢气是一种洁净、高效、可再生能源，目前采用的产氢方法成本高效率低，不适合普遍使用。唯铁氢化酶能够快速高效的催化合成氢气，因此唯铁氢化酶及其模拟化合物具有很高的研究价值。本文选择了目前研究较多的以DTMA为桥基双硫配体的唯铁氢化酶为理论模型，对其三个氧化态的模拟化合物进行了结构优化及更高水平下的频率计算，分析了它们的几何结构、微观电子结构和分子轨道能级，以及频率计算得到的红外光谱。结果表明：随着唯铁氢化酶由高氧化态逐渐还原为低氧化态，Fe原子的eg(3dz2，3dx2-y2)轨道和CO/CN配体的2π轨道组成的eg-2π前线轨道上电子填充数目增多，使Fed和μ-CO间的eg-2π轨道上填充的电子数显著增多，使Fed-COb键作用力增强，Fed-COb键长缩短，μ-CO向Fed靠近，在宏观上就表现为μ-CO位置的变动，而且趋向于Fed原子；Fed和μ-CO间的eg-2π前线轨道对氢化酶的反应能力起着很重要的作用；随着唯铁氢化酶氧化态的降低，配体CO/CN的伸缩振动频率也随之降低；虽然本文计算得到的振动频率与实验报道有差别，但差别并不显著，说明用DFT方法计算化合物的振动光谱也能够得到比较可靠的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1量子化学理论

1.1.1量子化学

1.1.2量子化学的应用

1.1.3量子化学计算方法

1.2密度泛函理论

1.2.1密度泛函理论方法的优势

1.2.2密度泛函理论的应用领域

1.2.3密度泛函理论的扩展

1.3 Gaussian程序

1.3.1 Gaussian 03

1.3.2 Gaussian中的化学理论模块

1.3.3 Gaussian中的基组及其选择

1.4本论文的研究工作

第二章铁卟啉化合物与氧气分子形成的体系的密度泛函理论研究

2.1前言

2.2计算方法与模型

2.3结果与讨论

2.3.1化学构型分析

2.3.2原子电荷和原子自旋密度分析

2.3.3体系能量对比与分析

2.3.4 Fe原子3d原子轨道自然布居数分析

2.3.5分子轨道分析

2.3.6铁卟啉与O2分子间相互作用的进一步探索

2.4结论

第三章黄酮类化合物抗氧化活性的理论研究

3.1.引言

3.2.计算方法

3.3.结果与讨论

3.3.1酚羟基H原子电荷分析

3.3.2 △HOF分析

3.3.3酚羟基及可形成氢键分析

3.3.4半醌式自由基的自旋密度分布分析

3.3.5黄酮类化合物几何构型与抗氧化活性

3.3.6最高占据分子轨道

3.4存在的问题

3.5结论

第四章密度泛函理论研究唯铁氢化酶活性中心：各氧化还原态的结构、电子性质及循环机理

4.1前言

4.1.1研究背景

4.1.2研究现状

4.2计算方法

4.3结构、电子性质及轨道分析

4.3.1几何构型分析

4.3.2自然原子轨道电荷分析

4.3.3 Mulliken原子自旋密度分析

4.3.4分子轨道分析

4.4产氢催化循环机理分析

4.5结论

第五章唯铁氢化酶活性中心各氧化还原态模拟化合物的红外光谱研究

5.1前言

5.2计算模型和计算方法

5.2.1计算模型

5.2.2计算方法

5.3结果与讨论

5.3.1实验IP光谱

5.3.2完全氧化态Hairox的IR光谱

5.3.3部分氧化态Hox的IR光谱

5.3.4完全还原态Hred的IR光谱

5.3.5 DTMA中NH伸缩振动的红外光谱

5.4结论

参考文献

致谢

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