应用ABEEMσπ方法估算含有羟基和羧基分子的pKa值

摘要

在一个生命体中，质子的解离或接受是一个基本过程，有着重要的研究意义。pKa为解离常数，是用来表示在水溶液中质子的解离或者接受能力的一个物理量。原子电荷也是化学家用来讨论分子性质的一个重要物理量。本文选取了一系列含有羟基、巯基和羧基的分子以及它们的离子，探讨了电荷与pKa的关系，并获得了不同系列分子的原子电荷与已知实验pKa值的线性方程，进而使用该方程，估算了这些化合物的pKa值，与实验值和其他研究者所计算的pKa值有较好的对应关系，其具体的研究内容如下:
　　1.从头计算的原子电荷与pKa值的关系。使用Gaussian09程序包，采用B3LYP/6-311++G(d,p)方法，优化获得含有羟基、巯基及羧基分子和离子的稳定结构。其中含有羟基和巯基的分子和离子，分别在气相和液相下，使用HF/STO-3G、HF/6-31G、HF/3-21G的方法，计算其Mulliken电荷和NBO电荷。在气相和液相下，不管是分子状态还是离子状态，使用HF/STO-3G方法所计算的分子中某些原子的电荷与pKa都有一定的线性关系。
　　2.ABEEMσπ电荷与pKa值的关系。以HF/STO-3G所计算的Mulliken电荷为基准，采用线性回归和最小二乘法，调试出含有羟基和羧基分子以及含有羧基的离子的ABEEMσπ参数(价态电负性x*和价态硬度2η*)。使用该参数和以前的参数，计算出这些分子的ABEEMσπ电荷。探究发现ABEEMσπ电荷与pKa实验值的有一定的线性关系。由ABEEMσπ方法所计算的电荷和与pKa的线性方程，进而可以估算这些分子的pKa值。
　　3.估算出含羟基化合物和含去质子化的羧基化合物的pKa值，获得了与实验值和其他研究组基本一致的结果。研究分子包括12个含羟基的小分子、1个Tyr二肽、6个Ser二肽、质子化和中性的Trp-cage蛋白质(304个原子)。由上面所描述的方法，估算上述研究体系的pKa值。估算的结果与pKa的实验值很接近，尤其Trp-cage蛋白质氨基酸残基pKa值的大小，预测结果为Tyr3＞Ser13＞Ser14，与Toru和Takeshi等人使用溶剂化自由能方法预测结果一致。尝试估算溶菌酶蛋白质(1960个原子)氨基酸残基pKa值，所估算的pKa值与氢原子加的位置有关，这也为获得合理的蛋白质结构的研究和探索，提供了一定的依据。
　　应用ABEEMσπ理论可以快速、准确计算化合物中原子的电荷，并且可以通过电荷与pKa的关系估算其pKa值。

目录

声明

摘要

引言

1 理论方法

1．1 ABEEMσπ模型

1．2 从头计算方法(ab initio)

1．3 密度泛函理论

1．4 电负性标度

2 含有羟基分子pKa的预测结果

2．1 从头算法计算的分子中原子的电荷与pKa的关系

2．1．1 在从头算方法下对含有羟基分子的结构选取及优化

2．1．2 从头算法在气相和液相下计算的Mulliken和NBO电荷与pKa的关系

2．2 ABEEMσπ理论下计算的分子电荷以及pKa的预测结果

2．2．1 ABEEMσπ模型分子的选取以及参数的调节

2．2．2 ABEEMσπ方法计算的电荷与从头算电荷的拟合结果

2．2．3 ABEEMσπ模型下，预测含有羟基分子pKa的结果

3 含有去质子化羟基的离子中的原子电荷与pKa的关系

3．1 使用从头算法所计算的电荷与pKa的关系

3．1．1 含有去质子化羟基的离子的结构选取及优化

3．1．2 从头算法在气相和液相下计算的Mulliken和NBO电荷与pKa的关系

4 含有羧基分子的电荷与pKa的关系

4．1 从头算法对分子电荷计算与pKa的关系

4．1．1 含有羧基分子的结构选取及优化

4．1．2 从头算法在气相下计算的分子的Mulliken电荷与pKa的关系

4．2 ABEEMσπ理论下计算的羧酸分子的原子电荷以及与pKa的关系

4．2．1 ABEEMσπ模型分子的选取以及参数的调节

4．2．2 ABEEMσπ模型分子计算的结果

5 含有去质子化羧基的离子pKa的预测结果

5．1 从头算法所计算的离子中原子的电荷与pKa的关系

5．1．1 含有去质子化羧基的离子的结构选取及优化

5．2 ABEEMσπ理论下计算的离子电荷以及与pKa的关系

5．2．1 ABEEMσπ模型参数的调节

5．2．2 ABEEMσπ模型离子计算的结果

5．2．3 ABEEMσπ模型下，预测含有溶菌酶蛋白质中残基的pKa的结果

6 含有巯基分子电荷与pKa关系的探究结果

6．1 从头算法计算的分子中原子的电荷与pKa的关系

6．1．1 在从头算方法下对含有巯基分子的结构选取及优化

6．1．2 从头算法在气相和液相下计算Mulliken和NBO电荷与pKa的关系

7 含有去质子化巯基的离子中的原子电荷与pKa的关系

7．1 从头算法所计算的离子中原子电荷与pKa的关系

7．1．1 含有去质子化巯基的离子的结构选取及优化

7．1．2 从头算法在气相和液相下计算的MuIliken和NBO电荷与pKa的关系

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢