新型咔唑衍生物密度泛函理论的研究

运用量子化学中的密度泛函和含时密度泛函理论法,计算1种新型咔唑衍生物,以探讨其几何构型、电子结构、前线分子轨道和电子光谱性质。计算结果表明当2-(4-吡啶基)乙烯基的反式构型与咔唑环作用时比顺式稳定,引入取代基后使化合物的HOMO和LUMO之间的能隙降低,吸收光谱红移。电子被激发时,电子从咔唑环向吡啶环转移,说明新型咔唑类化合物具有很好的光学性能,可以作为空穴传输材料。     

边缘氢化石墨烯片层结构和光谱性质的密度泛函理论研究

以并3-6苯环为氢化石墨烯片层模型,采用量子化学密度泛函理论方法(DFT)在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行了几何结构全优化,讨论了分子结构、能量、前线分子轨道等性质的变化规律。在得到化合物基态稳定构型的基础上,运用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算了电子吸收光谱的性质。计算结果显示边缘氢化石墨烯片层均为平面结构,线型扶手椅型结构能量最低,结构最稳定。随着石墨烯片层环数的增加HOMO轨道能量增加,LUMO轨道能量降低,能隙能量降低,最大吸收波长明显红移。     

8-羟基喹啉衍生物密度泛函理论的研究

运用量子化学中的密度泛函理论(TD-DFT)法,在B3LYP/6-31G(d,p)水平上,理论计算两种新型的8-羟基喹啉衍生物,5-[(4-E-苯乙烯基)-苯甲亚胺基]-8-羟基喹啉(1)和5-[(4-溴-2-氟)苯甲亚胺基]-8-羟基喹啉(2).探讨化合物(1)和(2)的几何构型、电子结构、前线分子轨道和电子光谱性质.结果表明由于引入取代基使体系的HOMO与LUMO之间的能隙降低,增强了与金属铝配位的能力;电子吸收光谱与实验数据基本吻合.     

乙炔基双二茂铁丙烷衍生物的密度泛函理论研究

为揭示取代基对金属有机化合物乙炔基双二茂铁丙烷电子结构的影响,采用密度泛函理论方法模拟计算了乙炔基双二茂铁丙烷及其2个衍生物苯炔基双二茂铁丙烷及二茂铁炔基双二茂铁丙烷的电子结构、前线轨道、电离能(IP)以及电子亲和势(EA),并讨论了取代基对化合物能级和能隙的影响。计算结果表明,电子在基态与激发态间的跃迁,主要是发生在双二茂铁丙烷和乙炔基苯或乙炔基二茂铁之间。取代基为苯基时化合物最高占据轨道(HOMO)能级降低量小于最低空轨道(LUMO)能级降低量,因此二者之间的能隙总体降低。取代基为二茂铁基时化合物HOMO能级增加,LUMO能级降低,从而使HOMO-LUMO能隙降低。结合化合物6-苯炔基双二茂铁丙烷电子亲和势最大以及化合物6-二茂铁炔基双二茂铁丙烷电离能最小,可见苯基取代使炔基双二茂铁丙烷类化合物电子传输能力增强,而二茂铁基取代则可以使该类化合物的空穴传输能力增强,这使炔基双二茂铁丙烷类化合物在功能导电材料方面具有较好的应用前景。     

硝酸正丙酯和硝酸异丙酯的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP、B3PW91、B3P86方法研究硝酸正丙酯(n-propyl nitrate,NPN)和硝酸异丙醣(isopro- pyl nitrate,IPN)的平衡分子构型、前线轨道能(E_(HOMO)、E_(LUMO))、能差(△E=E_(LUMO)-E_(HOMO))和O-NO_2键的裂解能(BDE)。分析了两种硝酸酯分子和对应自由基的热稳定性。NPN和IPN中的O-NO_2键的裂解能用B3P86方法计算出最接近实验值。由O- NO_2键的裂解能符合文献中对应物质的表观活化能,推知两种物质的热分解反应只是单分子O-NO_2键的均裂反应。     

铁卟啉化合物与氧气分子形成的体系的密度泛函理论研究(英文)

采用密度泛函理论B3LYP方法在6-31G(d)基组水平下对氯化铁(+3)卟啉与氧气分子形成的体系进行了研究,得到了几何构型,电子性质及分子轨道结构等相关数据.对两个体系不同自旋状态下的几何构型参数和电子性质对比发现:受体系立体构型对称性的影响,在两个体系中凡是与卟啉环上N原子相关的几何参数及电子性质均呈现出相同规律性.又采用密度泛函理论UB3LYP/6-311G*//UB3LYP/6-31G*方法对这两个体系不同自旋状态下的能量进行了计算,分析表明自旋多重度越高体系越稳定.然后分别分析了两个体系在最稳定自旋状态下的分子轨道占据情况及中心Fe原子最外层3d轨道的电子分布情况,结果表明Fe原子的3d二和3dxz/3dyz与氧气分子的单占据反键轨道HOMO π*2px/π*2py之间存在相互作用,这种相互作用引起铁卟啉环与O2分子间的电子转移并使O2活化.然而,根据分析在通常状态下铁卟啉对O2分子的活化作用是微弱的.     

2-(4-取代苯基)乙烯基吡啶电子光谱的理论研究

对2-(4-取代苯基)乙烯基吡啶系列用密度泛函法(DFT),在B3LYP/6-31+G**冰平上全优化几何构型,探讨苯环对位上不同取代基对分子电荷的转移、前线轨道能量等性质的影响规律.结果,电子由苯环向乙烯链移动,并通过乙烯链再向吡啶环移动;前线轨道能量随着取代基吸电子能力的增加而降低,随着供电子能力的增强而升高.在此基础上采用含时密度泛函(TD-DFT)计算分子第一激发态的电子跃迁能,得到最大吸收波长λmax.计算结果,6个化合物的最强跃迁都由于基态到单重激发态分子的HOMO→LUMO跃迁,由轨道对称性可知为π→π*跃迁.引入上述5种取代基,均导致最大吸收波长红移.     

插烯系硫靛发色体电子光谱的含时密度泛函理论研究

在密度泛函理论的B3LYP/6-31 G~*水平上对硫靛染料发色体及其插烯系化合物的几何构型进行优化计算;在获得基态稳定结构的基础上,应用含时密度泛函理论在相同水平下计算其电子吸收光谱,探讨了发色体的延伸对电子吸收光谱的影响,得到了与实验值基本一致的变化规律。结果表明,发色体的纵向延伸使光谱产生轻微的红移。通过对前线轨道组成进行自然布居分析,揭示了硫靛染料的发光均源自分子中HOMO-LUMO(π→π~(?))电子跃迁。     

P改性ZSM-5分子筛的结构及酸性变化

P-ZSM-5分子筛通常用来催化甲醇转化制轻烯烃,乙醇脱水制乙烯,芳烃的烷基化或者歧化等反应。目前,P-ZSM-5分子筛中磷和分子筛之间的相互作用仍不清楚。本文通过密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）计算了ZSM-5分子筛改性前后的结构及酸性变化。结果发现P骨架外改性后,磷酸分子的氢原子和分子筛骨架氧原子形成氢键作用,并且O₄,H_a和0_zeo总是保持在一条直线上,这是稳定的骨架外改性结构;骨架改性后,分子筛优化前后的结构发生较大变化,这是因为固定了8T模型中的终止氢原子,分子筛的骨架结构阻止了H₂PO₃基团的插入。本文还计算了磷酸分子和分子筛的酸性位之间的关系,研究发现,分子筛中引入P后,其酸性降低,且骨架改性后酸性减弱的程度更大。这一结果可以进一步指导实验,制备出不同酸性的分子筛。     

苯甲基阴离子复合物结构与性质的理论研究

用G98程序在B3LYP和MP2方法上和理论上计算苯…甲基阴离子复合物以预测其构型,得4种.在考虑基组重叠误差校正基础上,得结合能,并用自然键轨道分析法讨论其相互作用.结果表明,甲基阴离子中C13与苯中的一个C原子直接相连的构型比较稳定,其结合能为-108.45 kJ/mol(B3LYP/6-31+G*)、-154.1 kJ/mol(MP2(FC)/6-311++G**).其余的构型靠碳的孤对电子与C-Hσ反键轨道作用而形成,且稳定性较差.     

精甲霜灵的电子结构及圆二色谱性质

采用量子化学密度泛函理论在B3LYP/6-311++G**水平上对精甲霜灵分子几何构型进行优化;在优化的基础上进行圆二色谱究。计算结果表明:(1)C(8)=O(9)与N(1)、C(3)=O(4)与O(5)之间均存在p—π共轭,N原子上另外2个取代基分别位于苯环上下方为最稳定构型。(2)VCD谱中,C(10)—H沿C(8)—C(10)—O(11)平面的摇摆振动在1020cm-1处存在正性康登效应;垂直于该平面的摇摆振动在1273cm-1处出现负性康登效应。C(2)原子上的C—H摇摆振动在的1334cm-1处存在强的康登效应。C(3)=O(4)在的1788cm-1处出现较强的吸收峰;C(8)=O(9)由于与手性中心的间隔一个N原子,其在VCD谱中未出现康登效应。(3)甲醇溶液中的理论ECD谱,228nm处存在正性康登效应,与实验值符合较好;同时,理论计算还预测标题化合物在201nm处存在负性康登效应。     

广藿香酮电子结构及紫外光谱性质

采用量子化学密度泛函理论在B3LYP/6-311++G**水平上对广藿香酮在甲醇溶液中可能存在的异构体电子结构和紫外光谱性质进行了理论研究。结果表明:(1)广藿香酮可能稳定存在的酮式、单醇式、双醇式3类异构体共计10个;其中Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ分别为上述3类异构体中的相对稳定构型。在所有异构体中,单醇式异构体Ⅴ为最稳定构型,为天然存在的广藿香酮的分子结构,与实验结论一致。(2)计算获得了异构体Ⅴ在甲醇溶液中的紫外吸收数据,与实验值吻合较好。296nm处的吸收峰来源于分子中的HOMO→LUMO的π–π*电子跃迁(占100%);223nm处的吸收峰主要来源于分子中的HOMO→LUMO+1的π–π*电子跃迁(占74%)     

叠氮酸与氨氰环加成反应的理论研究(英文)

采用B3LYP、QCISD、MP2方法在6-311+G(d)基组水平上对叠氮酸与氨氰环加成反应进行了详细研究。首先对所有的反应物、过渡态和产物的构型进行了全参数优化,并用频率分析和内禀反应坐标(IRC)方法对过渡态进行确认。以步长为0.1(amu)1/2 bohr的内禀反应坐标方法在B3LYP/6-311+G(d)方法和基组水平上计算了内禀反应坐标s为(-3.00～3.00)(amu)1/2 bohr范围内反应的键长、振动频率、NBO电荷变化情况。根据统计热力学方法和用Wigner校正的Eyring过渡态理论,计算了(200～450)K温度范围内反应热力学函数及速率常数,探讨了温度对反应的影响。结果表明,反应经过过渡态TS生成5-AT的活化能为117.14 kJ/mol(B3LYP)、130.18 kJ/mol(QCISD)和106.24 kJ/mol(MP2),产物的相对能量为-74.24 kJ/mol(B3LYP)、-87.01 kJ/mol(QCISD)和-79.09 kJ/mol(MP2);反应随温度的升高更具有动力学优势,但在热力学上低温下更易于进行,因此,结合热力学和动力学因素,我们认为(300～350)K是该反应的适宜温度。     

直链酸与水相互作用的理论研究

采用量子化学方法中的密度泛函理论B3LYP方法,在B3LYP/6-311++G(d,p)基组水平上,对直链酸(甲酸至庚酸)与单分子水形成的体系进行结构优化和频率计算,从分子水平上研究了体系的相关的结构参数、电荷分布以及结合能,运用AIM理论分析了体系的电了密度拓扑。结果表明:直链酸与水形成两个氢键,其中羧基中氢原子作为质子供体的氢键1的键能强于水的氢作为质子供体的氢键2的键能。氢键1对体系的结合能影响起主导作用。稳定构型为六元环构型。直链酸与水结合能不随碳链增长呈明显变化,在(38.7-39.7)kJ/mol之间。     

A semiempirical study on the electronic structure of 10-deacetylbaccatin-III

We performed a conformational and electronic analysis for 10-deacetylbaccatin-III (DBAC) using well-known semiempirical methods (parametric method 3 (PM3) and Zerner's intermediate neglect of differential overlap (ZINDO)) coupled to the concepts of total and local density of states (LDOS). Our results indicate that regions presented by paclitaxel (Taxol) as important for the biological activity can be traced out by the electronic features present in DBAC. These molecules differ only by a phenylisoserine side chain. Compared to paclitaxel, DBAC has a simpler structure in terms of molecular size and number of degrees of freedom (d.f.). This makes DBAC a good candidate for a preliminary investigation of the taxoid family. Our results question the importance of the oxetane group, which seems to be consistent with recent experimental data.     

Theoretical study on the degradation of ADP-ribose polymer catalyzed by poly(ADP-ribose) glycohydrolase

Poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) is the only enzyme responsible for the degradation of ADP-ribose polymers. Very recently, the first crystal structure of PARG was reported (Dea Slade, et al., Nature 477 (2011) 616), and a possible S_N1-type-like mechanism was proposed. In this work, we present a computational study on the hydrolysis of glycosidic ribose–ribose bond catalyzed by PARG using hybrid density functional theory (DFT) methods. Based on the crystal structure of PARG, three models of the active site were constructed. The calculation results suggest that the degradation of poly(ADP-ribose) follows an S_N2 mechanism, and the oxocarbenium expected by Dea Slade is a possible transition state but not an intermediate. The calculated reaction pathway agrees with the proposed mechanism. According to the computational models with different sizes, the roles of key residues are elucidated. Our results may provide useful information for the subsequent experimental and theoretical studies on the structure and functional relationships of PARG.     

化合物C_(12)H_(10)N_4O_2的合成、晶体结构及量子化学研究

以2-吡啶甲酰肼为原料在甲醇和乙酸的混合溶液中合成了标题化合物C_(12)H_(10)N_4O_2。通过采用X射线单晶衍射仪测定了化合物的晶体结构,该晶体属于单斜晶系,空间群为C2/c,晶胞参数为a=1.34782(13)nm,b=1.11699(11)nm,c=0.75678(6)nm,α=90.00°,β=97.7550(10)°,γ=90.00°,V=1.12891(18)nm~2,Z=4,Dc=1.425 Mg.m~(-3),F(000)=504;最终偏差因子R_1=0.0492,wR_2=0.1249[对I>2θ(I)的衍射点]和R_1=0.0659,wR_2=0.1352[对所有衍射点]。该化合物分子由N-N键结合形成直线几何构型,分子间由弱的N—H…O氢键作用形成了二维网状结构。依据晶体结构数据使用程序Guassian 03对化合物进行了量子化学计算,探讨了化合物的分子轨道能量、原子净电荷布居规律和成键特征,分析了其活性原子,并预测了其稳定性。     

11-脱氧甘草次酸的合成及结构的理论研究

甘草次酸是甘草中的活性成分之一,具有广泛的药理活性,尤其是其衍生物具有显著的抗炎、抗过敏、止痛、抗癌、抗乙肝病毒、抗艾滋病毒等活性。但临床上长期应用该类药物常伴有假醛固酮增多症的副作用,限制了其在临床上的广泛应用。药理研究表明:甘草次酸的11-位羰基还原后将会降低其副作用,为了给11-脱氧甘草次酸的结构衍生化及构效关系研究提供了依据,本研究以18β-甘草次酸为原料,采用经典的克莱门森还原制备了11-脱氧甘草次酸,通过IR、~1H NMR、~(13)C NMR、HRMS等方法对其进行了表征。接着应用量子化学中的密度泛涵理论(DFT),在B3LYP/6-31G(d)水平下优化了其空间构型,计算了其结构参数、单点能、前线轨道能量和Mulliken电荷布局分布。     

(E)-N-(4-氨基正丁基)-3-(3-羟基-4-甲氧基-苯基)丙烯酰胺顺反构象异构化的理论研究

在HF/6-31G(d)水平上寻找(E)-N-(4-氨基正丁基)-3-(3-羟基-4-甲氧基-苯基)丙烯酰胺的顺反构象异构化的过渡态,计算得到了顺反异构化的势垒,揭示其在常温下反式和顺式异构体可迅速转化,但顺式异构体占绝大部分。在B3LYP/6-311 G(2d,p)水平上用GIAO方法计算两种异构体的~1H和~(13)C NMR的化学位移,通过对理论计算值与实验值的统计分析,显示顺式构象的计算值与实验值较为接近,实验结果证实了理论推断的正确性。     

Theoretical study of the hydrolysis mechanism of 2-pyrone-4,6-dicarboxylate (PDC) catalyzed by LigI

2-Pyrone-4,6-dicarboxylate lactonase (LigI) is the first identified enzyme from amidohydrolase superfamily that does not require a divalent metal ion for catalytic activity. It catalyzes the reversible hydrolysis of 2-pyrone-4,6-dicarboxylate (PDC) to 4-oxalomesaconate (OMA) and 4-carboxy-2-hydroxymuconate (CHM) in the degradation of lignin. In this paper, a combined quantum mechanics and molecule mechanics (QM/MM) approach was employed to study the reaction mechanism of LigI from Sphingomonas paucimobilis. According to the results of our calculations, the whole catalytic reaction contains three elementary steps, including the nucleophilic attack, the cleavage of CO of lactone (substrate) and the intramolecular proton transfer. The intermediate has two intramolecular proton transfer pathways, due to which, two final hydrolysis products can be obtained. The energy profile indicates that 4-carboxy-2-hydroxymuconate (CHM) is the main hydrolysis product, therefore, the isomerization between 4-carboxy-2-hydroxymuconate (CHM) and 4-oxalomesaconate (OMA) is suggested to occur in solvent. During the catalytic reaction, residue Asp248 acts as a general base to activate the hydrolytic water molecule. Although His31, His33 and His180 do not directly participate in the chemical process, they play assistant roles by forming electrostatic interactions with the substrate and its involved species in activating the carbonyl group of the substrate and stabilizing the intermediates and transition states.