自由能计算用于葫芦脲性质及包结机理研究

摘要

近几年，随着葫芦脲的合成和衍生化方法的成熟，第四代超分子主体葫芦脲已引起密切关注。葫芦脲可应用于医药、催化、分子开关和囊泡等各领域。虽然很多实验手段可以用来测定葫芦脲与许多客体分子的包结常数，但是葫芦脲与它们之间的作用机理尚不清楚。分子模拟方法可以从微观角度来解释葫芦脲的结构性质和包结机理等。本论文采用分子动力学(molecular dynamics，MD)模拟方法和自适应偏置力(adaptive biasing force，ABF)方法对葫芦脲(cucurbit[n]uril，CB[n])的性质以及与客体分子的包结进行了研究，主要内容包括以下三个方面：
　　 1.驱动疏水客体与葫芦脲包结的作用力在很大程度上取决于空腔中水分子的数量，所以葫芦脲与水的相互作用引起了很大的关注。采用分子动力学模拟方法对四种葫芦脲溶于水中的性质进行了研究。结果发现在CB[5]的空腔中没有水分子，但随着葫芦脲尺寸的增大，空腔内所含的水分子数增多。通过计算均方根误差，发现CB[5]骨架的刚性最强，CB[8]骨架的柔性最强。另外计算了四种葫芦脲在溶液中和在真空中的能量，发现在这两种条件下CB[6]的能量都最低，结果表明CB[6]的结构最稳定。本项研究为了解葫芦脲在溶液中的性质提供了重要信息，也为葫芦脲在水中溶解度大小的奇偶变化做了一个初步探索。
　　 2.葫芦脲与有机铵离子的包结动力学和包结机理的研究很早就有文献报道，但都仅限于实验方面的研究。本项工作使用分子动力学模拟和ABF方法研究在水溶液中已二铵(1，6-hexanediammonium，HD2+)阳离子和已二胺(1，6-hexanediamine，HD)穿过葫芦脲空腔时自由能的变化，探索了CB[6]与HD2+的包结机理。从自由能曲线上可以明显看到HD与葫芦脲包结过程中没有势垒，而HD2+与葫芦脲包结过程中有一个很大的势垒。将自由能分解成不同自由能组分项后可知，这个势垒是由近口端的铵基与葫芦脲羰基氧的静电相互作用造成的。因此，葫芦脲与HD2+最有可能的包结机理是HID2+先靠近CB[6]的铵基，形成次稳定的复合物，然后HD2+发生了去质子化，穿过空腔后再质子化。本项研究为葫芦脲与有机铵离子的包结机理提供了理论基础。
　　 3.扑热息痛是一种难溶的非甾类抗炎药物，长期或习惯性的使用会造成肝脏损害，为了减少副作用的伤害，可采用CB[7]作为赋形剂进行包结。本项工作使用分子动力学模拟和ABF方法研究了在水溶液中葫芦脲对扑热息痛包结过程，探索了葫芦脲的药物运载机制。为了研究扑热息痛与葫芦脲的各种可能包结模式，分别将主客体分子的距离设为3、4和5 A按照取向Ⅰ和取向Ⅱ进行了6次动力学模拟，结果表明取向Ⅰ是有利的。用ABF方法计算得到的扑热息痛按照取向Ⅰ穿过葫芦脲空腔过程中的自由能变化曲线表明，它们形成了稳定的包结物，即葫芦脲是一种有效的包结剂。然后，将自由能分解成不同组分项后可知，扑热息痛与葫芦脲之间的范德华相互作用是使它们形成稳定包结物的主要驱动力。
　　 另外，采用分子动力学模拟考察了两个包结位点的稳定性，即深入包结模式和部分包结模式。结果表明深入包结模式所对应的包结物更加稳定，并且不会从深入包结模式转化成部分包结模式。本项研究为设计基于葫芦脲的药物载体提供了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 综述

第一节 引言

第二节 葫芦脲的结构和性质

1.2.1 葫芦脲的结构

1.2.2 葫芦脲的性质

第三节 葫芦脲的研究进展

1.3.1 葫芦脲的合成

1.3.2 葫芦脲与脂肪铵离子的包结

1.3.3 葫芦脲作为药物载体的应用

1.3.4 分子模拟方法在葫芦脲中的应用

第四节 分子模拟方法

1.4.1 分子力学

1.4.2 分子动力学

1.4.3 自适应偏置力方法

第四节 本论文选题

参考文献

第二章 葫芦脲溶于水中的分子动力学模拟

第一节 引言

第二节 理论和方法

2.2.1 葫芦脲在溶液中的分子动力学模拟

2.2.2 葫芦脲扩散系数计算

第三节 结果与讨论

2.3.1 径向分布函数

2.3.2 葫芦脲骨架的刚性分析

2.3.3 葫芦脲在溶液和真空中的能量分析

2.3.3 葫芦脲空腔中的水分子

第四节 结论

参考文献

第三章 葫芦脲与己二铵包结机理的研究

第一节 引言

第二节 理论和方法

3.2.1 分子模型

3.2.2 分子动力学模拟

3.2.3 自由能计算

第三节 结果与讨论

3.3.1 包结自由能

3.3.2 包结的驱动力分析

3.3.3 包结物的结构分析

第四节 结论

参考文献

第四章 扑热息痛与葫芦脲自组装的分子动力学模拟

第一节 引言

第二节 理论和方法

4.2.1 分子模型

4.2.2 分子动力学模拟

4.2.3 自由能计算

第三节 结果与讨论

4.3.1 包结取向

4.3.2 包结自由能分析

4.3.3 扑热息痛与葫芦脲包结的驱动力

4.3.4 包结物的结构分析

4.3.5 包结物的解离机理

第四节 结论

参考文献

参考文献

致谢

个人简历及科研成果