生物小分子电离势和电子亲合势的理论研究

摘要

电离势和电子亲合势是原子和分子的非常重要的性质，因为它们能够从根本上估价原子和分子提供电子和接受电子的能力。现在很多人都在从理论和实验方面进行研究原子或分子的电离势和电子亲合势。最近研究离子—分子反应和结构活性关系的实验技术的发展使得研究广大范围内的有机分子的电离势和电子亲合势成为可能。α-丙氨酸是自然界中二十种氨基酸中的一种，是蛋白质的重要组成部分，也是具有手性的最小的氮基酸。氨基官能团是非常重要的，它的重要性体现在它是缩氨酸和蛋白质的最基本的联接基团。而且，氨基酰胺也可以作为肽和蛋白质中氮端氨基酸的简单模型服务。因此，研究小的氨基酸分子和酰胺分子的结构和性质是非常重要的。 量子化学的应用领域正在逐渐扩大，其为实验研究提供合理的简化模型和理论预测的能力体现的日趋明显，对一些现阶段实验上难以解决的问题往往可以给出新颖借鉴。它的发展及影响随着现代化学观点及其高级计算方法的不断出现而逐渐加强。本论文利用从头算方法，密度泛函理论(DFT)方法，计算了α-丙氨酸，丝氨酰胺和半胱氨酰胺的电离势和电子亲合势。通过对这三个体系的研究得到了一些有用的结论。 全文包括五章。第一章分为四节：第一节介绍了量子化学的发展简史；第二节简单介绍了电离势和电子亲合势理论计算的背景和意义；第三节介绍了电离势和电子亲合势的概念及计算公式；第四节介绍了本文的主要工作及意义。第二章就本文主要的研究依据——各种相关计算方法进行了简明扼要的介绍。前两章主要概括了本文工作的理论背景、理论依据，为我们的研究提供了可靠的量子化学方法。 在这些理论工作的基础上，第三章我们利用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法分别在6-311++G**和6-311G**基组上优化出了α-丙氨酸的十八个可能的构型和它的带电状态。并利用密度泛函理论B3LYP方法，从头算HF和从头算三级代数图表构建[ADC(3)]格林函数方法在6-311++G**和6-311G**基组上算出了α-丙氨酸在气相中的绝热、垂直电离势和价电子亲合势。最后，我们还报道了α-丙氨酸的中性构型1A，2A，3A，5A和它们相应的阳离子和阴离子状态在七个最高频率区的红外光谱频率和振动模式，并且分析了振动频率和接受或提供电子之间的相互关系。 第四章我们利用密度泛函理论B3LYP方法6-311++G**和6-311G**基组分别优化出了八个丝氨酰胺在气相的构型和它的带电状态。分别利用密度泛函理论B3LYP，B3P86和B3PW91方法在6-311++G**和6-311G**基组上算出了丝氨酰胺气相的绝热和垂直电离势和价电子亲合势。并利用B3LYP方法在6-311++G**和6-311G**基组上算出了丝氨酰胺液相的电离势和电子亲合势。 第五章，我们利用B3LYP/6-31+G*理论优化出了半胱氨酰胺的六个可能的构象并找出了它们的带电状态。利用密度泛函理论B3LYP，B3P86方法和从头算HF方法在6-31+G*基组上测定了半胱氨酰胺在气相和液相中的绝热和垂直电离势。利用同样的方法算出了半胱氨酰胺在气相中的偶极键电子亲合势。 通过对研究体系进行文献调研，总结我们所做的工作，我们对本论文的创新点列举如下： (1)所研究的体系比较新颖，丝氨酰胺和半胱氨酰胺是非常重要但又很少有人研究的有机分子。 (2)我们从理论上证实了肽键C-N的六个原子处于同一平面内的事实。 (3)通过对丝氨酰胺和半胱氨酰胺在气相中的电离势和液相中的电离势进行比较，我们发现液相中的电离势一般比气相中的电离势小，且随着溶液介电常数的增大而减小。说明这些分子在液相中比在气相中更容易失去一个电子而发生氧化反应。 (4)我们发现在丝氨酰胺和半胱氨酰胺的电离过程中，构型发生了较大的改变，我们按照键长，二面角和分子内氢键的改变来分析了构型的改变。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

第二章 量子化学计算方法简介

第三章 理论测定α-丙氨酸在气相中的电离势和电子亲合势

第四章 密度泛函理论计算丝氨酰胺的电离势和电子亲合势

第五章 理论测定半胱氨酰胺的电离势和偶极键电子亲合势

[参考文献]

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢