5水合甘氨酸复合体的结构和性能的理论研究

为了探讨“几个水分子导致甘氨酸两性离子复合体与其中性分子复合体等能”, 采用mp2/6-31＋＋g**//b3lyp/6- 31＋＋g**方法研究了甘氨酸水化的微观机理, 发现答案是5个水分子, 并证实了实验结果. 最稳定的5水合甘氨酸两性离子复合体具有双链结构, 与最稳定的5水合甘氨酸中性分子复合体能量接近(仅相差2.26 kJ/mol), 能够共存; 中性复合体和两性复合体之间可以通过直接质子迁移和桥助质子迁移等两种途径相互转化, 双链结构的甘氨酸复合体中质子迁移的能垒较低甚至无垒, 能够自发进行.     

氢键链质子接受能力对质子转移反应影响的理论研究

采用密度泛函B3LYP方法,6-311+g(d,p)基组,对甲酸与质子性溶剂分子形成的HCOOH-S_1-S_2(S_1和S_2分别为H_2O和NHF2)复合物在气相时发生的基态三质子转移反应过程进行了理论研究.4个甲酸复合物HCOOH-H_2O-H_2O,HCOOH-NHF2-NHF2,HCOOH-H_2O-NHF2及HCOOH-NHF2-H_2O中发生的三质子转移反应都是以异步协同质子迁移方式进行的.甲酸复合物中的氢键链组成和连接方式对基态三质子转移反应能垒有显著影响.HCOOH-S_1-S_2复合物中氢键链的质子接受能力可以表示为a×β1+b×β2(a+b=1).当a=0.45,b=0.55时,HCOOH-S_1-S_2中氢键链的质子接受能力和HCOOH-S_1-S_2复合物中的质子转移反应能垒成线性关系.氢键链的质子接收能力越强,反应能垒越低.     

2-巯基苯并咪唑及其类似物互变异构的理论研究

采用B3LYP/6-311G**方法, 计算了2-巯基苯并咪唑及其类似物(2-巯基苯并噁唑、2-巯基苯并噻唑、2-羟基苯并咪唑、2-羟基苯并噁唑、2-羟基苯并噻唑以及2-巯基咪唑、2-巯基噁唑、2-巯基噻唑、2-羟基咪唑、2-羟基噁唑、2-羟基噻唑)的(硫)醇式与(硫)酮式结构进行质子迁移的3种可能途径: (a)分子内质子迁移; (b)水助质子迁移; (c)甲醇助质子迁移．结果表明, 途经b和c所需要的活化能较小, 氢键在降低反应活化能方面起重要作用．采用PCM方法研究了反应体系的溶剂化效应．结果表明孤立分子、一水合物和一甲醇合物的最稳定异构体相同, 都为(硫)酮式, 与气相结论一致．溶剂化效应对异构化能垒的影响较小.     

2-巯基吡啶质子迁移过程的理论研究

采用密度泛函理论,在B3LYP/6-311G**基组水平上,计算并考察了2-巯基吡啶分子硫醇式结构和硫酮式结构进行结构互变质子迁移过程中的4种可能途径:(a)分子内质子迁移,(b)水助质子迁移,(c)同种二聚体双质子迁移和(d)异种二聚体间双质子迁移.计算结果表明,途经c所需要的活化能最小(9.73 kJ.mol-1,逆反应则为55.28 kJ.mol-1),而过程a所需要的活化能最大(106.02 kJ.mol-1),途径b和d的活化能居中间(分别为32.05和15.91 kJ.mol-1).研究还表明,氢键在降低反应活化能方面起着重要的作用.     

3-氨基-2-吡啶酮互变异构的密度泛函理论计算

采用密度泛函理论,在B3LYP/6-3 l1G**基组水平上,计算并考察了3-氨基-2-吡啶酮分子酮式和烯醇式结构进行结构互变的质子迁移过程中的2种可能途径:(a)分子内质子迁移,(b)水助质子迁移.计算结果表明,途经b所需要的活化能较小,氢键在降低反应活化能方面起着重要作用.     

4(3H)-嘧啶酮及其类似物互变异构的理论研究

采用密度泛函理论,在B3LYP/6-311G**基组水平上,计算并考察了4(3H)-嘧啶酮及其类似物(5-氟-4(3H)-嘧啶酮、4-巯基嘧啶和5-氟-4-巯基嘧啶)醇式结构和酮式结构进行结构互变质子迁移过程中的2种可能途径:(a)分子内质子迁移;(b)水助质子迁移.计算结果表明,途经b所需要的活化能较小.研究还表明,氢键在降低反应活化能方面起着重要的作用.     

Cu2+诱导丙氨酸质子迁移机理的理论研究

采用B3LYP/6-31++G(d,p)和M06/6-31++G(d,p)方法研究了Cu2+诱导丙氨酸质子迁移机理,两种方法均得到8个稳定构型(1个两性的和7个中性的)和7个过渡态,构型转化途径一致。两种方法对构型结构的计算结果非常接近,都确认两性构型最稳定,但是认为7个中性构型稳定性的次序不同。采用CCSD/6-31++G(d,p)方法进行了能量校正,表明最稳定的是中性构型,结合能为-217.14kcal/mol,两性构型是次稳定结构;中性构型稳定次序与M06方法的一致,并表明M06方法的能量比B3LYP的好。C—O键和C—C键的旋转(能垒范围分别是2.31~17.49 kcal/mol和4.89~8.95 kcal/mol)以及质子在羧基O原子间的迁移(正逆反应能垒分别为54.99和31.06kcal/mol)导致中性构型间的转化;质子从羧基迁移到氨基导致中性构型变为两性构型(能垒为20.71 kcal/mol)。Cu2+使丙氨酸的电子云向Cu2+偏移,导致N6原子负电荷减少,降低了N6原子对H8原子的库仑作用,钝化了共价键B(O4—H8),动力学上不利于H8质子迁移。     

Cu^2＋诱导甘氨酸质子迁移机理的理论研究

采用CCSD/6-31＋＋G＊＊//B3LYP/6-31＋＋G＊＊方法研究了Cu2＋诱导甘氨酸质子迁移的机理.优化得到了7个中性配合物和1个两性配合物,其中两性配合物最稳定,结合能为215.93 kcal mol-1.中性构型间通过分子内单键的旋转相互转化,C-N、C-C和C-O键旋转的能垒范围分别为1.62～2.49、0.27～7.80和2.27～16.97 kcal mol-1;中性构型N6经质子迁移变为两性构型,能垒为33.82 kcal mol-1.Cu2＋作用于甘氨酸,使甘氨酸N5原子负电荷减少超过0.5,降低了N5对H6原子的库仑吸引,钝化了共价键B（O3–H6）,动力学上不利于H6质子迁移;但是H6质子迁移后,形成的两性构型Z1却是热力学最稳定体系.     

苯甲醛肟偶极互变反应的理论研究

研究了苯甲醛肟Z构型和E构型两种异构体与相应偶极体的3条互变反应途径:(1)单分子内质子转移反应,质子由肟羟基转移至邻位的氮上,过渡态为三角形结构,反应能垒较高;(2)二聚体内的质子互换反应,质子分别从一个肟羟基转移到另一个肟的氮上,过渡态为六元环结构,能垒较低,理论反应速度较大,但平衡常数较小;(3)肟羟基与甲醇的质子互换反应,过渡态具有五元环结构,能垒和反应速度介于上述两者之间.结果表明,在3条反应途径上,Z构型和E构型均有类似的过渡态,Z构型有利于偶极体存在.在室温下主要通过二聚体内质子交换进行互变反应,实际体系中由于偶极体不断被消耗,反应可以持续进行.     

2-羟基咪唑在气相和水中的异构平衡和质子迁移的从头算计算和Monte Carlo模拟

采用从头算方法在MP2/6-31＋G^*水平上研究了2-羟基咪唑分子在孤立分子和一水合物的异构体的相对稳定性和可能的质子迁移反应, 分析了一个水分子的参与对2-羟基咪唑分子异构体的相对稳定性和质子迁移速率的影响, 采用Monte Carlo模拟方法研究了反应体系在水溶液中反应的溶剂化效应. 结果表明: 2-羟基咪唑分子的孤立分子和一水合物的最稳定异构体相同, 都为酮式. 直接质子迁移反应在水溶液中活化能垒有轻微增加, 但产物能量得到降低; 水助催化质子迁移反应在水溶液中的活化能垒和产物能量都得到明显降低. 综合气相和水相的计算结果, 2-羟基咪唑水助催化的质子迁移反应较易进行, 且在水溶液中进行容易, 可以很容易被实验观察到.     

别嘌醇质子迁移过程的理论研究

别嘌醇(Allopurinol)是次黄嘌呤的位置异构体,是唯一在临床上应用的黄嘌呤氧化酶抑制剂.     

3-卤代吡唑质子转移过程的理论研究

采用密度泛函B3LYP/6-311G**方法,对3-卤(-F、-Cl、-Br)代吡唑几何构型进行了全自由度优化,获得了它们的几何结构和电子结构。计算结果显示,N1-H型的稳定性大于N2-H型。计算并考察了3-卤代吡唑进行结构互变的质子转移过程的四种可能途径:(a)分子内质子转移;(b)水助质子转移;(c)同种二聚体双质子转移;(d)异种二聚体双质子转移。计算结果表明(以3-氟代吡唑为例),途径d所需要的活化能最小(54.89 kJ/mol),而途径a所需要的活化能最大(198.83kJ/mol),途径b和c的活化能居中间分别为(104.05 kJ/mol和69.05 kJ/mol)。研究还表明氢键在降低活化能方面起着重要的作用,卤素(-F、-Cl、-Br)对活化能的影响不大。     

2-羟基吡啶质子转移过程的理论研究

采用量子化学中的密度泛函理论,在B3LYP/6-31G(d)基组水平上,计算并考察了2-羟基吡啶分子醇式结构和酮式结构进行结构互变的质子转移过程中的4种可能途径:(a)分子内质子转移,(b)水助催化质子转移,(c)同种二聚体双质子转移和(d)异种二聚体间双质子转移.计算结果表明,途经c所需要的活化能最小(2.6 kJ•mol－1,逆反应则为27.1 kJ•mol－1),而过程a所需要的活化能最大(137.2 kJ•mol－1),途径b和d的活化能居中间(分别为38.7和17.3 kJ•mol－1).研究还表明,氢键在降低反应活化能方面起着重要的作用.     

3-羰基吡唑质子转移过程的理论研究

采用密度泛函B3LYP／6—311G^＊＊方法,对3-羰基吡唑几何构型进行了全自由度优化,获得了它们的几何结构和电子结构．计算并考察了3-羰基吡唑的两种构象即syn和anti构象的稳定性以及3-羰基吡唑进行结构互变的质子转移过程的四种可能途径：（a）分子内质子转移;（b）水助质子转移;（C）同种二聚体双质子转移;（d）异种二聚体双质子转移．计算结果表明3-羰基吡唑的syn构象中N2-H型的稳定性大于N1-H型,进行质子转移时途径（C）所需要的活化能最小（52．78kJ／mol）,途径（a）所需要的活化能最大（200．59kJ／mol）;3,羰基吡唑的。anti构象中N1-H型的稳定性大于N2-H型,进行质子转移时途径（d）所需要的活化能最小（61．09kJ／mol）,途径（a）所需要的活化能最大（204．15kJ／mol）．     

2-氨基-2-咪唑啉异构化和质子迁移溶剂效应的密度泛函计算和Monte Carlo模拟

采用密度泛函理论和MonteCarlo模拟方法研究了2-氨基-2-咪唑啉在气相和水中的异构现象和质子迁移反应.考虑了直接迁移和水助催化迁移等两种质子迁移途径.气相中稳定点的几何结构和热力学性质是在B3LYP/6-311+G^**理论水平上计算得到的.溶剂效应的研究结果表明,水作为溶剂可降低直接迁移途径的速率,有利于水助催化反应途径的进行.     

DFT study and Monte Carlo simulation on proton transfers of 2-amino-2-oxazoline, 2-amino-2-thiazoline, and 2-amino-2-imidazoline in the gas phase and in water

Density functional theory (DFT) and Monte Carlo (MC) simulation with free energy perturbation (FEP) techniques have been used to study the tautomeric proton transfer reaction of 2-amino-2-oxazoline, 2-amino-2-thiazoline, and 2-amino-2-imidazoline in the gas phase and in water. Two reaction pathways were considered: the direct and water-assisted transfers. The optimized structures and thermodynamic properties of stationary points for the title reaction system in the gas phase were calculated at the B3LYP/6-311+G(d, p) level of theory. The potential energy profiles along the minimum energy path in the gas phase and in water were obtained. The study of the solvent effect of water on the proton transfer of 2-amino-2-oxozoline, 2-amino-2-thiazoline, and 2-amino-2-imidazoline indicates that water as a solvent is favorable for the water-assisted process and slows down the rate of the direct transfer pathway.     

Solvent effects on glycine II. Water-assisted tautomerization

The water-assisted tautomerization of glycine has been investigated at the B3LYP/6-31+G** level using supermolecules containing up to six water molecules as well as considering a 1:1 glycine-water complex embedded in a continuum. The conformations of the tautomers in this mechanism do not display an intramolecular H bond, instead the functional groups are bridged by a water molecule. The replacement of the intramolecular H bond by the bridging water reduces the polarity of the N-H bond in the zwitterion and increases that of the O-H bond in the neutral, stabilizing the zwitterion. Both the charge transfer effects and electrostatic interactions stabilize the nonintramolecularly H-bonded zwitterion conformer over the intramolecularly hydrogen bonded one. The nonintramolecularly H-bonded neutral is favored only by charge transfer effects. Although there is no strong evidence whether the intramolecularly hydrogen bonded or non hydrogen bonded structures are favored in the bulk solution represented as a dielectric continuum, it is likely that the latter species are more stable. The free energy of activation of the water-assisted mechanism is higher than the intramolecular proton transfer channel. However, when the presumably higher conformational energy of the zwitterion reacting in the intramolecular mechanism is taken into account, both mechanisms are observed to compete. The various conformers of the neutral glycine may form via multiple proton transfer reactions through several water molecules instead of a conformational rearrangement.