阳离子-π作用的研究进展

摘要阳离子-π作用是一种存在于阳离子和芳香性体系之间的相互作用,与一些经典的作用（如氢键、静电和疏水相互作用）相比,被认为是一种新型分子间作用,普遍存在于生物体系中,对分子识别、蛋白质和核酸的结构与功能起着十分重要的作用．本文结合我们课题组的研究工作,对生物体内存在的典型的阳离子-π作用,以及有关阳离子-π作用的实验与理论计算研究进行综述．     

芳环超分子体系中的π-π作用

π-π作用是芳环超分子体系中广泛存在的一种重要的弱相互作用. 本文对π-π作用的特征、形式、有效参数和表征方法等作了比较全面的综述, 同时小结了影响π-π作用的一些重要因素, 最后还概述了近年来π-π作用在超分子组装、不对称催化、有机半导体材料等领域的研究进展.     

铵离子与芳香π体系间阳离子-π相互作用的研究

本文通过电荷密度的拓扑性质和结合能的能量分解两个方面研究了NH₄⁺与甲苯、对甲基苯酚以及甲基吲哚间阳离子-π相互作用的大小及其作用本质。结果表明：芳香环上键临界点和笼临界点的分布方式的多样性反映了芳香环上的不同取代效应。其次，能量分解结果显示，虽然静电能和诱导能在阳离子（NH₄⁺）－π相互作用中占主导地位，但色散能和交换排斥能也是不可忽视的。另外，静电能和芳香π体系的键临界点上的电荷密度之间存在着很好的正相关性，这有助于进一步深刻理解阳离子－π体系中的静电相互作用。     

阳离子-π体系相互作用的理论研究Ⅲ.碱金属阳离子-苯复合物体系的量子化学研究

运用ab initio Hartree-Fock从头算,微扰MP2和密度泛函B3LYP方法在不同的基组水平上对碱金属阳离子-苯复合物体系的可能构型进行了自由优化,得到了复合物的能量最低构型为碱金属阳离子位于苯环平面的正上方,频率计算结果表明该结构为稳定结构.复合物的键长、原子净电荷、分子轨道系数、前沿轨道能量、Mullicken键级等都表明,碱金属阳离子和苯环碳原子之间的作用包含p-π作用方式,碱金属阳离子与苯结合时电子从苯环向碱金属阳离子转移,形成电荷转移复合物.它们之间的结合方式和氢键的结合方式相似,但计算得到的热力学参数表明复合物中碱金属阳离子与苯之间的结合强度远远大于典型的氢键,尤其是锂离子-苯复合物的生成焓已和普通的化学键相当.复合物的红外特征振动频率位于200cm-1附近,对应于碱金属阳离子垂直于苯环平面的来回振动,同时形成复合物后,原来位于3200cm-1的苯的C-H振动红外活性消失.     

配位化学中的C-H…π非键弱相互作用

随着超分子化学研究的深入和发展,C-H…π非键弱相互作用越来越多地在晶体工程学、分子识别、主客体化学、自组装超分子体系以及生物大分子与配体相互作用等领域中被关注。本文综述了在配位化学中的C-H…π非键弱相互作用,它不仅存在于配合物分子内,亦可在配合物分子间观察到,并对利用配合物体系进行C-H…π非键弱相互作用体系研究提出一些设想。     

阳离子-π体系相互作用的理论研究Ⅱ.铵离子-二苯复合物体系的密度泛函研究

运用密度泛函B3LYP/6-31G*方法对铵离子-二苯复合物体系的可能构型进行了结构优化,得到了复合物的能量最低构型为:铵离子位于两个苯环平面之间分别以两个氢原子和苯环作用,频率计算结果表明该构型为稳定结构.复合物的键长、原子净电荷、分子轨道系数、前沿轨道能量、Mullicken键级等都表明,铵氢原子和与之接近的苯环碳原子之间通过s-π相互作用而实现铵与两个苯环的结合,结合时电子从苯环向铵转移,形成电荷转移复合物.它们之间的结合方式和铵离子-苯复合物及典型氢键的结合方式相似,计算得到的热力学参数证明了这一点.复合物的红外特征振动频率位于230em-1附近,振动方式为铵平行于苯环平面来回振动.     

OCS,CO2,N2O与烯、炔烃之间π…π作用的电子密度拓扑研究

采用MP2/aug-cc-pVDZ方法对氧硫化碳(OCS)、二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)与乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、2-丁炔(C4H6)之间形成的平行构型复合物中的分子间相互作用进行了理论研究.复合物的相互作用能按照B…C2H4B…C2H2>B…C4H6(B=OCS,CO2,N2O)的顺序依次减小.采用电子密度拓扑分析理论方法,讨论了复合物中π…π作用的成键特性.电子密度拓扑分析表明复合物中形成了弱的分子间相互作用,且以静电作用为主;π电子密度分子图与全电子密度分子图中键径方向是一致的,说明π…π作用在本文所讨论的体系中起着很重要的作用.NBO分析表明净电荷迁移从电子给体C2H4,C2H2,C4H6到电子受体OCS,CO2,N2O,迁移数按照B…C2H4相似文献   

基于药物-载体间π-π堆叠作用构建的抗肿瘤纳米药物传输系统

纳米药物传输系统由于其独特的性质已经成为抗肿瘤新药的研究热点,本文首先对纳米药物传输系统进行简介,然后聚焦于通过药物-载体间π-π堆叠作用构建的抗肿瘤纳米药物传输系统,对高分子胶束、碳纳米材料(碳纳米管和石墨烯)以及可注射小分子(水)凝胶等三种基于药物-载体间π-π堆叠作用构建的抗肿瘤纳米药物传输系统的研究进展进行了介绍。     

阳离子-π体系相互作用的理论研究——Ⅰ.铵离子-苯复合物构型及相互作用的密度泛函研究

运用密度泛函B3LYP/6 31G 方法对铵离子 苯复合物的 6种可能构型进行了计算研究 ,发现铵离子的 2个氢指向苯环且不具对称性的结构为能量优势结构 .根据计算得到的复合物结构特点 ,分子间作用方式及热力学参数 ,得出铵离子和苯之间的作用是氢键相互作用的结论 .     

A型流感病毒M2通道蛋白开闭机制：His37和Trp41间的氢键及阳离子-π作用的计算研究

A型流感病毒的M2蛋白为一四聚的离子通道．实验结果显示，通道的通透性可能与His37间的氢键网络，以及His37-Trp41间的阳离子-π作用网络有关．以4-甲基咪唑间的氢键网络模拟通道His37间的氢键作用，以质子化4-甲基咪唑和吲哚芳环体系来模拟His37和Trp41间的阳离子-π作用，用量子化学MP2／6—311G＊＊方法开展计算研究．结果显示，氢键网络中咪唑环间的每个N—H…N氢键作用强度可达-6．2kcal．mol^-1；阳离子-π作用网络中的每对阳离子．兀作用最高可达-18．8kcal．mol^-1（T-型作用构象）或-12．3kcal．mol^-1（平行堆积型）．因此，我们计算得到的作用能表明，通过pH调控氢键作用和阳离子-π作用网络进而调控M2通道的通透性是可能的．     

α/β类蛋白折叠中π-π相互作用的特异性

以α/β类蛋白的2种典型折叠类型为研究对象,对205个低相似度蛋白样本中的π-π相互作用进行统计分析.计算结果表明,(α/β)8-barrel折叠中π-π相互作用的分布密度高于经典Rossmann折叠,且在关键的局部区域的差异更加显著;芳香族氨基酸在(α/β)8-barrel结构中更容易形成π-π相互作用;色氨酸对应的3种π-π相互作用组合在(α/β)8-barrel折叠中出现的几率显著高于经典Rossmann折叠;(α/β)8-barrel折叠中π-π相互作用形成复杂π网络的能力强于经典Rossmann折叠.上述结果表明,π-π相互作用在α/β类蛋白的不同折叠类型中存在特异性,其在稳定(α/β)8-barrel结构中的作用强于经典Rossmann折叠.     

基于分子间π-π相互作用形成的吖啶荧光化合物超分子结构及其性能研究

合成了10-甲基-1,2-苯并吖啶（10-Methyl-benzo[1,2]acridine,MBA）,用X射线单晶衍射方法获得了其单晶结构,结构分析结果表明,在MBA晶体中,由于存在分子间π-π相互作用,形成了一维无限伸展的分子柱,用MBA制备了微米晶体,通过调控反应物的浓度可以获得长方和线状的微米晶体,用荧光显微镜考察了微米晶体的形貌,研究了MBA的紫外吸收和荧光发射光谱性质,实验结果表明,MBA是一种具有蓝光发射特点的有机分子。     

碱(土)金属离子与2-(3′-羟基-2′-吡啶基)苯并噁唑阳离子-π复合物及其分子内质子转移过程的理论研究

采用密度泛函B3LYP方法,在6-311++G(d,p)基组水平上对碱(土)金属离子(Li+,Na+,K+,Be2+,Mg2+和Ca2+)与2-(3’-羟基-2’-吡啶基)苯并噁唑(HPyBO)的36种阳离子-π复合物的初始构型进行了几何全优化,并计算了其相互作用能.结果表明,碱(土)金属离子与HPyBO复合物有较强的阳离子-π相互作用,部分复合物甚至达到了化学键的强度.相对能量的变化表明碱(土)金属离子的作用能改变HPyBO分子内质子转移过程的能垒,甚至可以导致优势构型反转.当考虑水的溶剂效应后,各质子转移异构体的相对能量及质子转移的能垒均有一定程度的改变.另外,应用分子中的原子(AIM)方法对复合物分子内氢键的键临界点性质进行了分析.     

一种简易型顺磁波谱电化学池的设计和卟啉π-阳离子自由基的检测

设计了一种简易型全玻璃ESR薄层现场波谱电化学池,以高7mm,直径0.5mm的铂柱工作电极安放在直径1mm的玻璃管中,形成体积为4.7μl的薄层池,2ml溶液就可以工作。在二氯乙烷中,进行了薄层电化学性能表征,并对(TPP)H_2的电极氧化过程进行了研究,发现电生的(TPP)H_2阳离子自由基有动力学后行反应。可能的机理是自由基岐化反应伴随着Cl~-引起的异卟啉的生成反应。     

酸性染料分子表面印迹材料的设计与制备及其分子识别特性研究

本文使用"接枝交联聚合与印迹过程同步进行"的分子表面印迹方法,以阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)为功能单体,以活性艳红X-3B(RBR)为模板分子,制备了酸性染料分子表面印迹材料,并考察了印迹材料的分子识别性能。在水溶液中,凭籍强静电相互作用与阳离子-π相互作用,阳离子单体DAC自动地结合在模板RBR分子周围,在氨基/过硫酸盐表面引发体系作用下,DAC及交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)在硅胶微粒表面发生接枝交联聚合,制得了酸性染料分子表面印迹材料MIP-PDAC/SiO2。该分子表面印迹材料对RBR分子具有高度的识别选择性,相对于结构与RBR相似的活性黄X-RG和活性嫩黄X-6G两种酸性染料,MIP-PDAC/SiO2对RBR的识别选择性系数分别为8.1和8.9。     

乙烯、苯与Li+、Na+、K+形成的阳离子-π复合物结构的理论研究

系统地研究了乙烯、苯与Li+、Na+、K+形成的阳离子-π复合物的结构.发现在乙烯与Li+、Na+、K+阳离子形成的复合物中,乙烯分子的C-H键与形成复合物前相比伸长了,然而,在苯的阳离子-π复合物中,苯分子的C-H键却出乎意料地变短了(特别是在锂离子-π复合物中).这种现象可能与最近由Hobza等人发现的蓝移氢键现象有相同的机理.     

给体和受体取代的苯乙烯衍生物的π-π相互作用

具有电子给体山)和电子受体的给－受体(D－。－A)分子,由于在光诱导下可以产生分子内电荷转移(ICT)激发态,可作为非线性光学和光电转换等材料[”’j．D－。A分子由于共轭体系一端是推电子取代基,另一端是吸电子取代基,所以其HOMO能级较高,LUMO能级较低[”门,在基态容易发生 HO－     

π-共轭体系超分子自组装

π-共轭体系因其分子结构的可设计性以及优异的光电性质得到了广泛的研究,其超分子自组装在制备结构复杂、规则的功能纳米材料方面表现出了显著的优势,且是调控材料宏观性质的一种有效的方法.因此,π-共轭体系超分子自组装已经成为近年来信息、材料、生物等前沿领域的研究热点.本文综述了π共轭体系超分子自组装的机理、外界环境的导向作用、自组装形态以及其在光电器件、生物传感等方面的应用研究,进一步提出了该领域尚待解决的问题并对其应用前景进行了展望.     

中性π-杂环自由基的合成与电磁性能研究

中性π-杂环自由基是一类非常重要的稳定自由基化合物。作为自旋极化的有机共轭分子,近几年来一些中性π-杂环自由基在有机导体、磁体研究方面受到很多关注,包括1,2,3,5-二噻(硒)二唑类自由基、1,3,2-二噻唑类自由基、1,2,3-二噻(硒)唑类自由基、1,2,4,6-噻(硒)三嗪类自由基和1,2,4-噻二嗪类自由基等。本文拟对一些典型杂环自由基的合成、结构等方面,特别是对其在分子导体、磁体及自旋电子材料的研究方面进行介绍。     

π-共轭分子堆积、光电性能与超分子调控

介绍了π-共轭分子堆积模式与发光效率和载流子迁移率的关系, 以及分子堆积模式的调控方法, 特别是超分子相互作用在实现分子堆积模式调控中的作用等相关实验和理论研究进展.