Carbyne紐結(jié)和氨基酸分子對(duì)稱性及手性的第一性原理研究.pdf

1、密度泛函方法又稱“第一性原理”，由于其計(jì)算量適中、計(jì)算精度較高，已成為計(jì)算化學(xué)和計(jì)算生物學(xué)領(lǐng)域中最重要的理論方法之一。分子對(duì)稱性和手性的研究是化學(xué)和生物學(xué)的重要課題之一。我們利用密度泛函方法研究了紐結(jié)分子和氨基酸分子的對(duì)稱性和手性：1)紐結(jié)分子是一類新穎的具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的分子，對(duì)這類分子對(duì)稱性和手性的研究有助于人們更深刻地理解分子紐結(jié)理論；2)氨基酸分子是蛋白質(zhì)的基本組成單元，它們的分子軌道分布與分子相似性及手性之間存在密切聯(lián)系，對(duì)

2、這些性質(zhì)的分析為研究分子手性的產(chǎn)生和測(cè)量以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和折疊提供了理論依據(jù)。本論文主要內(nèi)容包含以下兩部分四個(gè)方面： 第一部分討論了carbyne紐結(jié)，包括第二、三和四章： 1．C<,30> carbyne三葉結(jié)分子結(jié)構(gòu)和手性的理論研究 用DFT/B3L YP方法計(jì)算了C<,30> carbyne三葉結(jié)分子的結(jié)構(gòu)，光譜性質(zhì)和分子軌道，并且通過與C<,30> carbyne環(huán)分子比較，分析了三葉結(jié)分子“打結(jié)”的性質(zhì)

3、。分析結(jié)果顯示：C<,30> carbyne三葉結(jié)分子具有D<,3>對(duì)稱性，是手性的，它的結(jié)構(gòu)具有三個(gè)特征：非平面的C≡C共軛，扭曲的內(nèi)螺旋結(jié)構(gòu)和交叉處弱成鍵作用。依據(jù)分子的結(jié)構(gòu)特征和螺旋理論建立了“螺旋-切割-重組裝”方法對(duì)C<,30> carbyne鏡像三葉結(jié)分子的螺旋手性進(jìn)行了研究，并通過計(jì)算三葉結(jié)分子及其弧鏈的VCD譜來證明我們的分析結(jié)果。結(jié)果表明左手三葉結(jié)分子具有左手螺旋手性，右手三葉結(jié)分子具有右手螺旋手性，它們呈鏡像對(duì)稱性。

4、此外，我們還預(yù)測(cè)了它們的旋光度。 2．Carbyne紐結(jié)分子手性及螺旋性研究 基于“螺旋．切割”方法，我們分析了carbyne紐結(jié)分子(0<,1>到5<,1>)的螺旋手性，結(jié)果顯示：具有D<,30h>和S<,4>對(duì)稱性的carbyne紐結(jié)分子O<,1>和4<,1>是非手性的；而具有D<,3>和C<,2>對(duì)稱性的紐結(jié)分子3<,1>和5<,1>是手性的，且carbyne紐結(jié)分子3<,1>和5<,1>是左手性的，而3<1>*和

5、5<,1>*是右手性的。此外，提出了“螺旋-連接器-組裝”模型對(duì)紐結(jié)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第一部分對(duì)紐結(jié)分子的對(duì)稱性，螺旋手性以及設(shè)計(jì)做了理論研究。為研究分子紐結(jié)理論提供了一些新的方法。 第二部分研究氨基酸分子，包括第五、六和七章： 1．氨基酸分子定量相似性和分類的分子軌道研究 用DFT/B3LYP方法計(jì)算并分析了20種氨基酸分子軌道的分布特征以及分子軌道能級(jí)分布的相似性。在此基礎(chǔ)上，研究了氨基酸分子間的定量相

6、似性。依據(jù)這種相似性，對(duì)20種氨基酸進(jìn)行了分類和聚類分析，并且把它們的相似性分成高中低三個(gè)等級(jí)，建立了氨基酸置換表。此外，對(duì)氨基酸分子的相似性與分子手性大小的分析結(jié)果表明，分子越相似，分子手性的大小也越接近。 2．氨基酸鏡像分子對(duì)軌道的對(duì)稱性與分子手性的研究 對(duì)鏡像分子對(duì)軌道的對(duì)稱性分析表明它們?cè)诳臻g分布有兩種情況：在非手性分子中呈現(xiàn)對(duì)稱性(左右對(duì)稱S'和左右反對(duì)稱A'類型)，而在手性分子中呈現(xiàn)左右不對(duì)稱性(鏡像對(duì)稱S<