與氫鍵平行的分子間相互作用—鹵鍵的理論研究.pdf

1、鹵鍵是由鹵原子(路易斯酸)與中性的或者帶負(fù)電的路易斯堿之間形成的非共價(jià)相互作用。作為平行于氫鍵的一種分子間相互作用,鹵鍵在分子識(shí)別、手性拆分、晶體工程和超分子組裝等很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。另外在生命科學(xué)領(lǐng)域,鹵鍵的重要性也初露端倪,這為基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)提供了新的思路。本論文對(duì)一些傳統(tǒng)鹵鍵和非傳統(tǒng)鹵鍵(包括雙齒鹵鍵、負(fù)電荷輔助鹵鍵、鹵原子與π電子給體之間的鹵鍵)以及鹵鍵一鹵鍵間的協(xié)同效應(yīng)和鹵原子的雙親性進(jìn)行了理論計(jì)算方面的研究。

2、 1.雙親性是共價(jià)鹵原子所具有的獨(dú)特性質(zhì)。鹵原子一方面在沿著R-X鍵軸方向顯示出親電性,另一方面在垂直于該鍵軸方向卻顯示出親核性。為了定量的理解共價(jià)鹵原子的雙親性,對(duì)一系列由含溴分子RBr和氟化氫HF之間形成的氫鍵復(fù)合物進(jìn)行了MP(full)/aug-cc-pVDZ水平下的計(jì)算。結(jié)果顯示與溴相連基團(tuán)的吸電子能力越強(qiáng),所形成氫鍵的強(qiáng)度就越弱。該變化趨勢(shì)與含溴分子RBr和氨NH3之間形成的鹵鍵強(qiáng)度的變化趨勢(shì)恰好相反,說(shuō)明了含溴分子的親電能力

3、越強(qiáng),它們的親核能力隨之越弱。另外對(duì)這些復(fù)合物進(jìn)行的分子中的原子理論(AIM)研究證實(shí)了氫鍵的存在,并且發(fā)現(xiàn)氫鍵關(guān)鍵點(diǎn)處的電子密度及其電子密度的拉普拉斯量和復(fù)合物的相互作用能成很好的線(xiàn)性關(guān)系。 2.鹵鍵在晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建以及藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注,因而研究一些從實(shí)際體系中提取出的鹵鍵模型是十分重要的,這將使我們進(jìn)一步的了解發(fā)生在實(shí)際情況中的晶體堆積和分子識(shí)別過(guò)程?；c此,對(duì)由溴苯和-些電子給體形成的二聚體進(jìn)行了從頭算

4、研究,所選擇的體系都是模擬晶體結(jié)構(gòu)和生物大分子發(fā)現(xiàn)的鹵鍵。結(jié)果顯示所有復(fù)合物中的分子間距離均小于形成鹵鍵的兩個(gè)原子的范德華半徑之和,并且鹵鍵的強(qiáng)度跟氫鍵相當(dāng)甚至超過(guò)了氫鍵,因而鹵鍵可以看作是影響晶體中分子排布的決定性因素。另外對(duì)這些二聚體的AIM研究發(fā)現(xiàn)鹵鍵關(guān)鍵點(diǎn)處的電子密度可以用來(lái)衡量鹵鍵的強(qiáng)度,并且弱的鹵鍵本質(zhì)上是靜電的,而強(qiáng)的鹵鍵顯示出一定的共價(jià)性。 3.分子中的原子理論(AIM)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)氫鍵及非傳統(tǒng)氫鍵的研究

5、。為了比較鹵鍵和氫鍵的AIM性質(zhì)的異同,對(duì)一系列的強(qiáng)度從低到高的鹵鍵復(fù)合物進(jìn)行了系統(tǒng)的AIM研究,內(nèi)容包括鹵鍵關(guān)鍵點(diǎn)的確定、關(guān)鍵點(diǎn)處的拓?fù)鋮?shù)以及復(fù)合物形成前后的若干原子性質(zhì),如電荷、能量、極化矩、鹵原子的體積等的變化。結(jié)果表明鹵鍵顯示出與氫鍵不同的AIM性質(zhì),并且鹵鍵關(guān)鍵點(diǎn)處的電子密度與相互作用能高度線(xiàn)性相關(guān),即電子密度可以用來(lái)判斷不同類(lèi)型鹵鍵的強(qiáng)度。和氫鍵類(lèi)似,弱的鹵鍵可以看作是靜電作用,而強(qiáng)的鹵鍵有一定程度的共價(jià)性。 4.

6、雙齒(三中心)鹵鍵在晶體組裝中扮演著比較重要的角色,當(dāng)與很強(qiáng)的氫鍵共存時(shí),它可以作為晶體結(jié)構(gòu)中的“辨別合成子”。為了研究雙齒鹵鍵的結(jié)構(gòu)和能量的性質(zhì),對(duì)一些由含鹵分子RX和硝基甲烷CH3NO2形成的復(fù)合物進(jìn)行了系統(tǒng)的從頭算研究。結(jié)果表明含氯復(fù)合物的強(qiáng)度非常弱,而含溴復(fù)合物的強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。同時(shí)雙齒鹵鍵中單個(gè)的分子間距離(X…O)比相應(yīng)的兩中心的鹵鍵的鍵長(zhǎng)要長(zhǎng)很多,而強(qiáng)度卻要弱一些。另外分子中的原子理論(AIM)研究顯示復(fù)合物中均存在鹵鍵關(guān)鍵

7、點(diǎn),其作用屬于閉殼型相互作用,并且鹵鍵關(guān)鍵點(diǎn)處的電子密度的對(duì)數(shù)與鹵鍵鍵長(zhǎng)成很好的線(xiàn)性關(guān)系。 5.C-X/π鍵(有機(jī)含鹵分子與π電子給體之間形成的非共價(jià)相互作用)在結(jié)晶工程和生物體系中占據(jù)著很重要的地位。為了了解這種非傳統(tǒng)鹵鍵的本質(zhì)和強(qiáng)度,對(duì)一些碳鹵化合物和苯的π平面之間形成的相互作用進(jìn)行了從頭算研究。結(jié)果顯示在所有碳鹵分子與苯的二聚體中主要形成的是C-X/π鍵,并且這些鍵的強(qiáng)度非常弱,但是卻與C-H/π鍵的強(qiáng)度相當(dāng)。同時(shí)色散力對(duì)

8、復(fù)合物的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)最大,而電荷轉(zhuǎn)移力卻起著非常小的作用。另外對(duì)復(fù)合物進(jìn)行的AIM研究確定了C-X/π鍵的存在,并且鍵關(guān)鍵點(diǎn)處的電子密度和電子密度的拉普拉斯量證實(shí)了C-X/π鍵其實(shí)屬于鹵鍵范疇。 6.X/π復(fù)合物(由同核或者異核的雙鹵分子和芳香環(huán)形成)是芳香族化合物親電鹵化的重要的反應(yīng)前復(fù)合物,并且在“電子提供-接受”復(fù)合物中占據(jù)著非常重要的地位。為了研究這種復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和能量的性質(zhì),對(duì)由氯化氟FCI和一些取代苯之間形成的復(fù)合物進(jìn)

9、行了從頭算研究。結(jié)果表明苯環(huán)上的取代基對(duì)X/π相互作用的強(qiáng)度影響很大。給電子基團(tuán)使相互作用能輕微增加,而吸電子基團(tuán)卻使之減小。同時(shí)X/π復(fù)合物的穩(wěn)定性主要是由色散力引起的,除了色散力,電荷轉(zhuǎn)移作用在這些復(fù)合物形成過(guò)程中也起著比較重要的作用。對(duì)復(fù)合物進(jìn)行的AIM研究確定了X/π鍵的存在,并且鍵關(guān)鍵點(diǎn)處拓?fù)鋮?shù)證明了X/π鍵屬于鹵鍵的范疇。 7.負(fù)電荷輔助鹵鍵在設(shè)計(jì)具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)和傳導(dǎo)性質(zhì)的新材料中有著廣泛的應(yīng)用。為了了解這種鹵

10、鍵的本質(zhì)和強(qiáng)度,對(duì)一系列由碳溴分子和兩種負(fù)離子(溴負(fù)離子Br-和氰根離子CN-)形成的二聚體進(jìn)行了從頭算研究,并且用AIM和NBO方法分析了這些二聚體的電子密度分布。結(jié)果顯示負(fù)電荷輔助鹵鍵比相應(yīng)的中性鹵鍵要強(qiáng)的多,并且靜電力對(duì)二聚體的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)最大。同時(shí)NBO研究還表明,除了靜電力,電荷轉(zhuǎn)移作用和二級(jí)軌道作用對(duì)復(fù)合物的形成也起著重要作用。另外對(duì)復(fù)合物進(jìn)行的AIM研究確定了鹵鍵的存在,并且鹵鍵關(guān)鍵點(diǎn)處的拓?fù)鋮?shù)比如電子密度、電子密度的拉普

11、拉斯量、動(dòng)能電子能量密度、勢(shì)能電子能量密度等均與鹵鍵的強(qiáng)度高度線(xiàn)性相關(guān),但是電子能量密度的值卻幾乎沒(méi)有變化。 8.由于氟原子的極化率很小而電負(fù)性卻很大,因而氟一般不能形成鹵鍵。但是氟作為電子受體的非共價(jià)相互作用在晶體結(jié)構(gòu)中已經(jīng)逐漸發(fā)現(xiàn),這種相互作用可以成為氟鍵。為了研究氟鍵的強(qiáng)度和本質(zhì),對(duì)一些由含氟分子和氨形成的二聚體進(jìn)行了MP2下的計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氟鍵的強(qiáng)度與常規(guī)鹵鍵相當(dāng),并且靜電力對(duì)二聚體的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)最大。同時(shí)NBO研究表明,

12、電荷轉(zhuǎn)移作用對(duì)復(fù)合物的形成也起著非常小作用。另外對(duì)復(fù)合物進(jìn)行的AIM研究確定了氟鍵的存在,并且鍵關(guān)鍵點(diǎn)處的電子密度和電子密度的拉普拉斯量證實(shí)了氟鍵其實(shí)屬于鹵鍵范疇。 9.三角形的鹵素三聚體(X…X…X)合成子在晶體結(jié)構(gòu)中被認(rèn)為是一種常見(jiàn)的粘合力,對(duì)晶體的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。為了研究三聚體的結(jié)構(gòu)、振動(dòng)頻率及其協(xié)同性,對(duì)一系列三聚體的模型體系(RX)_3進(jìn)行了密度泛函水平下的計(jì)算。結(jié)果表明所有三聚體均是由3個(gè)類(lèi)型II方向的X…

13、X相互作用構(gòu)成。三聚體中的Br…Br鍵是非常弱的,而I…I鍵相對(duì)要強(qiáng)的多。雖然所有的溴三聚體和大部分的碘三聚體沒(méi)有協(xié)同效應(yīng),但是三個(gè)碘三聚體卻顯示出很弱的協(xié)同效應(yīng)。相對(duì)于單體而言,三聚體的所有振動(dòng)頻率變化均很小。另外對(duì)于三聚體中的X…X鍵,靜電力起著最主要的作用。相對(duì)于溴三聚體,電荷轉(zhuǎn)移作用在碘三聚體中貢獻(xiàn)更大。 10.為了得到鹵鍵的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)一些由簡(jiǎn)單的碳鹵分子和甲醛及水形成的復(fù)合物進(jìn)行了基準(zhǔn)研究。復(fù)合物的構(gòu)型在MP2/a

14、ug-cc-pVDZ水平下進(jìn)行了全優(yōu)化,另外通過(guò)三點(diǎn)外推法獲得了基組極限時(shí)的鍵能。根據(jù)所得到的鹵鍵結(jié)構(gòu)和鍵能的基準(zhǔn)數(shù)據(jù),我們測(cè)試了14種常見(jiàn)的密度泛函(DFT)方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在這些DFT方法中,雖然最常用的B3LYP方法不能很好的描述鹵鍵,但是PW91、PBE、B97-1和MPWLYP泛函卻能提供和從頭算方法一樣的精確度,因而這四種DFT方法可以用來(lái)研究含有鹵鍵的生物大分子體系。 11.分層(ONIOM)算法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生物

15、大分子體系的研究中。為了驗(yàn)證該方法同樣也適用于鹵鍵大分子,我們從蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(PDB)中選取了一段含有鹵鍵的DNA(ID 1P54)的序列d(CCAGTACbr~5UGG),在AM1、PM3、B3LYP、PBE、ONIOM(B3LYP:AM1)及ONIOM(PBE:AM1)水平下進(jìn)行了構(gòu)型優(yōu)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)半經(jīng)驗(yàn)AM1方法得不到鹵鍵結(jié)構(gòu),而DFT和ONIOM方法雖然獲得了鹵鍵的結(jié)構(gòu),但是與實(shí)驗(yàn)值相比,平方均根誤差(RMSD)卻比較大