精氨酸侧链和核酸碱基间离子氢键作用强度分析

采用MP2/6-31+G(d,p)方法优化得到了22个由精氨酸侧链与碱基尿嘧啶、 胸腺嘧啶、 胞嘧啶、 鸟嘌呤及腺嘌呤形成的氢键复合物的气相稳定结构, 使用包含BSSE校正的MP2/aug-cc-pVTZ方法计算得到了复合物的气相结合能, 通过MP2/6-31+G(d,p)方法和PCM模型优化得到了复合物的水相稳定结构, 采用MP2/aug-cc-pVTZ方法和PCM模型计算得到了复合物的水相结合能. 研究发现, 精氨酸侧链与碱基间的离子氢键作用强度与单体间电荷转移量、 氢键临界点电子密度及二阶作用稳定化能密切相关. 与中性氢键相比, 离子氢键作用具有更显著的共价作用成分. 研究还发现, 精氨酸侧链和碱基间形成的氢键复合物的稳定性次序可以通过氢键受体碱基分子上氧原子和氮原子的质子化反应焓变进行预测, 质子化反应焓变越负, 形成的氢键复合物越稳定.     

醇及脱氧核糖与水分子间三体作用强度的快速准确计算

快速准确预测醇及脱氧核糖分子与水形成的氢键复合物的三体作用强度, 对准确模拟水环境下蛋白质和DNA的结构和功能至关重要. 基于对多体极化作用的理解, 在可极化偶极-偶极作用模型(PBFF)基础上, 将体系中的极性化学键视为化学键偶极, 通过模拟键偶极的极化计算了醇及脱氧核糖与水分子形成的氢键复合物的三体作用能. 通过拟合甲醇与水氢键复合物的三体作用能随分子间距离变化的能量曲线确定了所需的参数. 将模型和所确定的参数应用于计算更多的甲醇、 乙醇及脱氧核糖与水氢键复合物的三体作用能, 检验了模型的准确性和参数的可转移性. 计算结果表明, 可极化偶极-偶极作用模型及所确定的参数能够较好地预测具有不同结构的氢键复合物的三体作用强度, 其精度可与MP2方法的计算精度相当.     

氢键识别超分子聚合物的新进展*

近年来,由于氢键作用对聚合物的热力学性质、微观自组装、结晶及液晶行为的重要影响,氢键识别在超分子聚合物的分子设计与结构控制方面的应用受到广泛关注。本文系统介绍了氢键识别体系的类型与性质,以及分子结构、分子内氢键对氢键识别强度的影响,讨论了羧酸与吡啶间氢键识别体系、与核苷相关的氢键识别体系以及四重氢键识别体系在超分子聚合物中的最新应用,主要介绍了氢键识别超分子聚合物的合成、结构、性质及功能。     

取代基对N—H…O＝C氢键三聚体中氢键强度的影响

使用MP2方法研究了氢键三聚体中N-H…O=C氢键强度,探讨了氢键受体分子中不同取代基对N-H…O=C氢键强度的影响.研究表明,不同取代基对氢键三聚体中N-H…O=C氢键强度的影响是不同的:取代基为供电子基团,氢键键长r(H…O)缩短,氢键强度增强;取代基为吸电子基团,氢键键长r(H…O)伸长,氢键强度减弱.自然键轨道(NBO)分析表明,N-H…O=C氢键强度越强,氢键中氢原子的正电荷越多,氧原子的负电荷越多,质子供体和受体分子间的电荷转移越多.供电子基团使N-H…O=C氢键中氧原子的孤对电子n(O)对N-H的反键轨道σ~*(N-H)的二阶相互作用稳定化能增加,吸电子基团使这种二阶相互作用稳定化能减小.取代基对与其相近的N-H…O=C氢键影响更大.     

准确快速计算含多肽酰胺和核酸碱基的氢键复合物的氢键强度和氢键作用势能曲线

N-H···O=C、C-H···O=C、N-H···N和C-H···N等氢键作用是蛋白质a-螺旋结构、b-折叠结构和DNA双螺旋结构形成的主要因素,在生物分子识别、蛋白质复制以及遗传信息传递等过程中起重要作用。准确快速计算生物体系中存在的N-H···O=C、C-H···O=C、N-H···N和C-H···N等氢键作用强度以及氢键强度随分子几何结构(距离和角度)变化的势能曲线对正确模拟(从而正确认识和理解)蛋白质折叠机制和DNA双螺旋结构形成机制等生物过程意义重大,对设计合成具有特殊功能的生物分子材料有重要指导价值。本文主要介绍了近年来建立的偶极-偶极氢键作用模型及其在快速预测多肽-多肽分子间和核酸碱基-多肽分子间氢键作用强度和氢键作用势能曲线方面的应用。     

几种分子间氢键络合物体系的振动光谱研究

本文对X·C_2H_2[X=(CH_3)_3N、NH_3、(CH_3)_2O和CH_3(N)及(NH_3)_2·C_2H_2]五种分子间氢键络合物体系进行了振动光谱研究。用MNDO方法对这五种体系进行了几何构型优化,获得了直角坐标力常数;通过力常数变换将其转换成内坐标表达的力常数,用GF矩阵方法作全振动分析,计算了上述体系的振动光谱频率,并对频率作了理论归属,从而得到了分子间氢键的伸缩振动力常数和振动频率。     

取代基对1-甲基尿嘧啶与N-甲基乙酰胺氢键复合物中氢键强度的影响

使用密度泛函理论B3LYP方法和二阶微扰理论MP2方法对由1-甲基尿嘧啶与N-甲基乙酰胺所形成的氢键复合物中的氢键强度进行了理论研究, 探讨了不同取代基取代氢键受体分子1-甲基尿嘧啶中的氢原子对氢键强度的影响和氢键的协同性. 研究表明: 供电子取代基使N－H…O＝C氢键键长r(H…O)缩短, 氢键强度增强; 吸电子取代基使N－H…O＝C氢键键长r(H…O)伸长, 氢键强度减弱. 自然键轨道(NBO)分析表明: 供电子基团使参与形成氢键的氢原子的正电荷增加, 使氧原子的负电荷增加, 使质子供体和受体分子间的电荷转移量增多; 吸电子基团则相反. 供电子基团使N－H…O＝C氢键中氧原子的孤对电子轨道n(O)对N－H的反键轨道σ^*(N－H)的二阶相互作用稳定化能增强, 吸电子基团使这种二阶相互作用稳定化能减弱. 取代基对与其相近的N－H…O＝C氢键影响更大.     

取代基对N-H…O=C氢键三聚体中氢键强度的影响

使用MP2方法研究了氢键三聚体中N—H…O=C氢键强度, 探讨了氢键受体分子中不同取代基对N—H…O=C氢键强度的影响. 研究表明, 不同取代基对氢键三聚体中N—H…O=C氢键强度的影响是不同的: 取代基为供电子基团, 氢键键长r(H…O)缩短, 氢键强度增强; 取代基为吸电子基团, 氢键键长r(H…O)伸长, 氢键强度减弱. 自然键轨道(NBO)分析表明, N—H…O=C氢键强度越强, 氢键中氢原子的正电荷越多, 氧原子的负电荷越多, 质子供体和受体分子间的电荷转移越多. 供电子基团使N—H…O=C氢键中氧原子的孤对电子n(O)对N—H的反键轨道滓*(N—H)的二阶相互作用稳定化能增加, 吸电子基团使这种二阶相互作用稳定化能减小. 取代基对与其相近的N—H…O=C氢键影响更大.     

HNO与(HF)1≤n≤3分子间的蓝移与红移氢键

运用量子化学从头算方法研究了HNO与分子簇(HF)1≤n≤移氢键, 重极化与重杂化和分子内超共轭导致了氢键的蓝移; 所有的X…H—F(X=O, N, F)氢键都是红移的, 分子间超共轭导致了氢键的红移. 在多分子体系形成的氢键链中, 分子间超共轭作用呈现规律性递变, 它导致了氢键强度与频率位移的规律性变化, 电子密度拓扑分析结果反映和支持了这种规律性变化.     

双接触弯曲蓝移氢键CH_2…Y的理论研究

用量子化学从头算方法在MP2/6-311 G(d,p)与MP2/6-311 G(2df,2p)两个理论级别上研究了双接触弯曲氢键Y…H2CZ(Z=O,S,Se)和Y…H2CZ2(Z=F,Cl,Br)(Y=Cl-,Br-).计算表明,在这些复合物中都存在两个等价的Y…H—C蓝移氢键;相互作用能和蓝移都比较大,每个Y…H—C氢键的能量为15～27kJ/mol,CH键长变化为-0.1～-0.5pm,CH伸缩振动频率位移为30～80cm-1.自然键轨道分析表明,3个因素导致了这些蓝移氢键的形成:(1)存在较大的重杂化;(2)弯曲的氢键构型使得分子间直接超共轭相互作用比较小,而存在相当的分子间间接超共轭相互作用;(3)质子给体的分子内超共轭相互作用较大地减小.电子密度拓扑性质的研究表明,在这些氢键复合物中都存在3个分子间临界点:在接受体原子Y与每个H原子之间存在一个键临界点,也存在相应的键径和原子间界面;在YHCH四边形内部存在一个环临界点.因此这些分子间相互作用可以严格地看作氢键.     

双接触弯曲蓝移氢键CH2…Y的理论研究

用量子化学从头算方法在MP2／6-311＋＋G（d,p）与MP2／6—311＋＋G（2df,2p）两个理论级别上研究了双接触弯曲氢键Y…H2CZ（z=O,S,Se）和Y…H2CZ2（Z=F,Cl,Br）（Y=Clˉ,Br-）．计算表明,在这些复合物中都存在两个等价的Y…H—C蓝移氢键;相互作用能和蓝移都比较大,每个Y…H—C氢键的能量为15～27kJ／mol,CH键长变化为-0．1～-0．5pm,CH伸缩振动频率位移为30—80cm^-1．自然键轨道分析表明,3个因素导致了这些蓝移氢键的形成：（1）存在较大的重杂化;（2）弯曲的氢键构型使得分子间直接超共轭相互作用比较小,而存在相当的分子间间接超共轭相互作用;（3）质子给体的分子内超共轭相互作用较大地减小．电子密度拓扑性质的研究表明,在这些氢键复合物中都存在3个分子间临界点：在接受体原子Y与每个H原子之间存在一个键临界点,也存在相应的键径和原子间界面;在YHCH四边形内部存在一个环临界点．因此这些分子间相互作用可以严格地看作氢键．     

电子给受体复合物中电荷转移吸收光谱和溶剂效应

用MP2/6-31G^**方法研究了二氯甲烷溶剂分子与电子给体、受体以及电子给受体复合物间的相互作用,结果表明,二氯甲烷与电子受体和电子给受体复合物间有弱氢键相互作用.利用CIS/6-31++G^**方法研究了溶剂与溶质分子间形成氢键对激发态的影响.自然键电荷分析表明,电子给受体复合物的S₀→S₁跃迁导致一个电子从电子给体转移到受体.结合非平衡溶剂化处理和自洽反应场方法研究了溶剂分子与复合物间形成氢键时的电荷转移吸收光谱.计算表明氢键作用导致复合物的电荷转移吸收光谱蓝移.     

HCN及其氢加成物分子间氢键问题的量子化学研究

采用量子化学(MNDO、CNDO/2)方法,探讨了HCN、H_2CNH和H_3CNH_2分子间的N…H-C氢键的构成。计算表明:HCN-HCN分子间氢键作用较强,支持了实验结果。HCN及其氢加成物H_2CNH、H_3CNH_2等分子间的氢键作用依次减弱,其随C≡N、C=N、C-N的差异而变化,碳氮链中氮原子的作用是构成N…H-C型氢键的一个决定性因素。     

非极性有机溶剂对分子内氢键弱化程度的单分子力谱定量研究

利用单分子力谱技术, 以3种不同醇解度的聚乙烯醇(PVA)为模型体系, 定量研究了非极性有机溶剂对分子内氢键强度的影响. 3种PVA样品在非极性有机溶剂中的分子内氢键强度均约为其在真空中强度的48%. 结果表明, 非极性有机溶剂对分子内氢键的弱化作用十分显著, 可削弱其约50%的本征氢键强度. 本文研究结果提示人们需重新审视液相环境对高分子单链弹性和非共价相互作用的影响.     

三重和四重氢键体系:设计、结构和应用

氢键是超分子化学领域具有特别重要地位的一种非共价作用。近年来,通过氢键自组装制备超分子聚合物已经成为超分子化学的一个热门研究领域。构筑性能优良的多重氢键体系奠定了这个领域的研究基础。其中,三重和四重氢键体系在构筑超分子组装体方面得到了广泛应用。本文综述了三重氢键、四重氢键组装体系的研究进展及其应用,重点介绍了各种三重氢键、四重氢键体系的设计思路和影响其稳定性的各种因素。     

CaH_2…HY（Y=CH_3,C_2H_3,C_2H,CN,NC）体系双氢键性质的理论研究

在B3LYP/6-311＋＋G（3df,2p）及MP2/6-311＋＋G（3df,2p）水平上探讨了以CaH2为质子受体及多种常见质子供体构成的CaH2…HY（Y=CH3,C2H3,C2H,CN,NC）弱相互作用体系的几何结构以及所形成的双氢键的性质.MP2方法计算得到线型的CaH2分子结构,在B3LYP方法计算下优化得到的CaH2部分则是一个非常明显的弯曲结构.NBO分析计算表明,线型结构（MP2）中Ca原子杂化轨道主要源自于sp杂化而弯曲结构（B3LYP）则主要为sd杂化,这与之前报道的相关研究结论相一致.基于不同CaH2分子结构计算得到的CaH2…HY体系的H…H间距离、相互作用能以及电荷转移性质等非常接近.MP2和B3LYP方法计算得到的CaH2…HY体系H…H间距离均处于0.15～0.24nm,相互作用能处于1～44kJmol-1范围.CaH2…HY体系的相互作用能变化趋势为CaH2…CH4-CaH2…C2H4-CaH2…C2H2-CaH2…HCN-CaH2…HNC,H…H距离的变化规律与相互作用能变化趋势相反,即键能越大H…H距离越小.相较于HY单体,形成的CaH2…HY复合物体系的质子供体键H-Y的键长增大,质子供体的键长增加量△r（H-Y）与H…H间距离间有这样的关系：H…H间距离越小,△r（H-Y）越大.双氢键AIM拓扑数据表明形成CaH2…HY复合物后,Ca-H键临界点的电子密度（ρc）较单体时减小且与双氢键相互作用能成线性关系,即复合物中Ca-H键临界点的ρc数值越小同时双氢键键能越大.NPA结果表明,CaH2…HY体系中分子间的电荷转移总量随键能增大而增大.通过H…H间距离、相互作用能以及AIM分析,我们认为CaH2…CH4和CaH2…C2H4体系可划分为弱的范德华相互作用,而CaH2…C2H2,CaH2…HCN和CaH2…HNC体系形成的双氢键强度上相当于常规氢键,且最值得注意的是CaH2分子结构的差异性对CaH2…HY体系性质的影响微乎其微.     

酰胺水化作用的富里埃红外光谱研究及其SCFPPP计算

本文用富里埃红外光谱仪研究了酰胺水化作用引起的红外光谱变化。用SCFPPP方法对五种酰胺进行了计算。含水酰胺的羰基伸缩振动频率向低波数的位移与酰胺和水分子间的氢键强度成正比。其氢键强度与羰基上氧原子的净电荷密度成正比,与酰胺分子的HOMO轨道能量成反比。     

分子内氢键的PMO研究

脂肪体系中分子内氢键与分子间氢键无论在性质和强度上都没有明显的区别,而在共轭体系中,分子内氢键的强度比类似官能团间的分子间的氢键大1倍以上。本文提出了用微扰分子轨道(PMO)方法来研究含杂奇交替烃体系中的分子内氢键。并观察到如下规律:1.对于相同官能团的一系列化合物,分子内氢键的强度主要取决于给予原子上的电荷密度。给予原子上电荷密度越     

用红外光谱技术研究氢键的键合方式

氢键的形成能够使参与形成氢键的原化学键力常数降低,吸收频率移向低波数方向,同时吸收强度增加。为了介绍怎样利用红外光谱技术研究氢键的键合方式,本文以联酰胺衍生物为例,主要运用变温红外光谱技术分析NH伸缩振动波数、强度以及形成氢键的键长随温度的变化来研究羰基(C O)与氨基(H—N)之间的氢键形式。结果表明,本文举例中联酰胺基团中的C O与H—N以分子间氢键形式存在。     

几种二醇与非质子溶剂相互作用的红外光谱研究

测定了1，2-乙二醇、1，2-丙二醇、1，4-丁二醇和1，6-己二醇在CCl4中分别与十几种非质子溶剂相互作用的红外光谱，通过考察频率位移的变化，定量地研究了二醇分子内氢键与分子间氢键的协同效应．在四氯化碳介质中，乙二醇、1，2-丙二醇和1，4-丁二醇体系中存在明显的氢键协同效应。利用红外光谱数据，估算了常温下二醇分子内缔体与非质子溶剂的交叉缔合常数，其数值大于一元正链醇与相应溶剂的交叉缔合常数．