双螺旋金属(Ⅱ)卟啉的结构、电子光谱及其反应活性

摘要

由两个拓展的卟吩环键合不同的金属离子形成的卟啉结分子是生命体系中DNA双螺旋分子最简单的金属扭结模型物,在仿酶催化反应等方面存在广阔的应用空间.本文选取8个典型的二价金属离子(M(Ⅱ),M=Ca,Mg,Mn,Zn,Cu,Ni,Fe,Co)与拓展卟吩结分子(1H)形成的单金属卟啉结配合物(1M)和双金属卟啉结配合物(2M),用密度泛函理论(DFT)、含时DFY和概念DFT等工具,在优化构型的基础上,通过自然键轨道(YBO)方法和前线轨道能级研究了它们的分子结构、光谱性质和反应活性.模拟结果显示1M、2M的结构、光谱及其反应性质不同于其前体1H:形成1M和2M金属配合物分子后,将有较高的亲电指数和较低的化学硬度以及呈现紫外吸收峰位移;形成2M双金属配合物后,绝大多数金属离子形成的2个四配位环境的对称性较1M体系有了提高,同时DFT反应指数也有显著的增强.但2M体系的调变能力也不尽相同:主簇金属和含饱和电子结构离子较弱,过渡金属离子强些,二元描述符(dual descriptor)结果支持了以上结论.在这些典型的二价金属配合物中,金属原子M和配体原子N之间的自然电荷分布,金属原子M和配体原子N之间的二级微扰相互作用能,配合物的前线轨道能级与其硬度指数、键的离解能与自然电荷等方面,存在着一系列定量的相关关系,相关系数(R2)在0.858-0.986之间.本研究对理解含有金属离子的重要生物物质在结构和反应性能上的差别将提供有益启示.