自由能計(jì)算用于葫蘆脲性質(zhì)及包結(jié)機(jī)理研究.pdf

1、近幾年，隨著葫蘆脲的合成和衍生化方法的成熟，第四代超分子主體葫蘆脲已引起密切關(guān)注。葫蘆脲可應(yīng)用于醫(yī)藥、催化、分子開關(guān)和囊泡等各領(lǐng)域。雖然很多實(shí)驗(yàn)手段可以用來(lái)測(cè)定葫蘆脲與許多客體分子的包結(jié)常數(shù)，但是葫蘆脲與它們之間的作用機(jī)理尚不清楚。分子模擬方法可以從微觀角度來(lái)解釋葫蘆脲的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和包結(jié)機(jī)理等。本論文采用分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics，MD)模擬方法和自適應(yīng)偏置力(adaptive biasing force，ABF)方

2、法對(duì)葫蘆脲(cucurbit[n]uril，CB[n])的性質(zhì)以及與客體分子的包結(jié)進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括以下三個(gè)方面：
　　 1.驅(qū)動(dòng)疏水客體與葫蘆脲包結(jié)的作用力在很大程度上取決于空腔中水分子的數(shù)量，所以葫蘆脲與水的相互作用引起了很大的關(guān)注。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)四種葫蘆脲溶于水中的性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CB[5]的空腔中沒有水分子，但隨著葫蘆脲尺寸的增大，空腔內(nèi)所含的水分子數(shù)增多。通過(guò)計(jì)算均方根誤差，發(fā)現(xiàn)CB[5]骨架

3、的剛性最強(qiáng)，CB[8]骨架的柔性最強(qiáng)。另外計(jì)算了四種葫蘆脲在溶液中和在真空中的能量，發(fā)現(xiàn)在這兩種條件下CB[6]的能量都最低，結(jié)果表明CB[6]的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。本項(xiàng)研究為了解葫蘆脲在溶液中的性質(zhì)提供了重要信息，也為葫蘆脲在水中溶解度大小的奇偶變化做了一個(gè)初步探索。
　　 2.葫蘆脲與有機(jī)銨離子的包結(jié)動(dòng)力學(xué)和包結(jié)機(jī)理的研究很早就有文獻(xiàn)報(bào)道，但都僅限于實(shí)驗(yàn)方面的研究。本項(xiàng)工作使用分子動(dòng)力學(xué)模擬和ABF方法研究在水溶液中已二銨(1，6-

4、hexanediammonium，HD2+)陽(yáng)離子和已二胺(1，6-hexanediamine，HD)穿過(guò)葫蘆脲空腔時(shí)自由能的變化，探索了CB[6]與HD2+的包結(jié)機(jī)理。從自由能曲線上可以明顯看到HD與葫蘆脲包結(jié)過(guò)程中沒有勢(shì)壘，而HD2+與葫蘆脲包結(jié)過(guò)程中有一個(gè)很大的勢(shì)壘。將自由能分解成不同自由能組分項(xiàng)后可知，這個(gè)勢(shì)壘是由近口端的銨基與葫蘆脲羰基氧的靜電相互作用造成的。因此，葫蘆脲與HD2+最有可能的包結(jié)機(jī)理是HID2+先靠近CB[6]

5、的銨基，形成次穩(wěn)定的復(fù)合物，然后HD2+發(fā)生了去質(zhì)子化，穿過(guò)空腔后再質(zhì)子化。本項(xiàng)研究為葫蘆脲與有機(jī)銨離子的包結(jié)機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。
　　 3.撲熱息痛是一種難溶的非甾類抗炎藥物，長(zhǎng)期或習(xí)慣性的使用會(huì)造成肝臟損害，為了減少副作用的傷害，可采用CB[7]作為賦形劑進(jìn)行包結(jié)。本項(xiàng)工作使用分子動(dòng)力學(xué)模擬和ABF方法研究了在水溶液中葫蘆脲對(duì)撲熱息痛包結(jié)過(guò)程，探索了葫蘆脲的藥物運(yùn)載機(jī)制。為了研究撲熱息痛與葫蘆脲的各種可能包結(jié)模式，分別將主客

6、體分子的距離設(shè)為3、4和5 A按照取向Ⅰ和取向Ⅱ進(jìn)行了6次動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)果表明取向Ⅰ是有利的。用ABF方法計(jì)算得到的撲熱息痛按照取向Ⅰ穿過(guò)葫蘆脲空腔過(guò)程中的自由能變化曲線表明，它們形成了穩(wěn)定的包結(jié)物，即葫蘆脲是一種有效的包結(jié)劑。然后，將自由能分解成不同組分項(xiàng)后可知，撲熱息痛與葫蘆脲之間的范德華相互作用是使它們形成穩(wěn)定包結(jié)物的主要驅(qū)動(dòng)力。
　　 另外，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬考察了兩個(gè)包結(jié)位點(diǎn)的穩(wěn)定性，即深入包結(jié)模式和部分包結(jié)模式。結(jié)果