2022年2022年金属配合物与核酸作用机理的理论计算 .pdf

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1、金属配合物与核酸作用机理的理论计算林羲栋中山大学化学与化学工程学院应用化学学号10340035 *E-mail: 摘要 本实验采用GaussView 建模，模拟了磷酸酯分别在金属催化剂与无金属催化剂的情况下水解的过程。通过gaussian 03 软件对分子进行结合结构优化、能量计算以及频率分析，可以高效得到分子的单点能，更加深入的了解金属配合物催化核酸水解反应的作用机制。关键词Gaussian 磷酸酯水解金属催化剂过渡态1 引言自然界中， 许多水解酶中都含有金属离子，其催化水解作用都要靠金属离子来完成。 例如：羧肽酶和碳酸酐酶都含有Zn2+ 离子，前者能催化肽和蛋白质分子羧端氨基酸的水解，后者

2、能加速催化体内代谢产生的二氧化碳的水合反应 。 金属离子作为催化中心的一员，在电子转移的过程中起着十分重要的作用，它们容易失去电子， 在周围形成电子空轨道，是一种典型的 “路易斯酸 ”，这种状态下的金属离子对催化过程中的各个基团的移动具有很好的定向作用，从而降低催化反应的活化能，使反应向利于底物水解和产物形成的方向移动，加快反应速率 。 不同于一些具有水解能力的非酶化学试剂（如强酸、强碱 、溴化氰等）1，金属离子配合物对目标物的水解更为温和，产物相对稳定， 在不同配合物的作用下能表现出不同的催化水解状态。 这些独特的优点使得金属离子配合物在生物大分子结构分析、 模拟酶的构筑和功能性材料的研发方

3、面展现出极佳的应用前景。金属配合物作为DNA 的结构和构象探针成为近几年的研究热点，由于其具有良好的反应活性及丰富的谱学性质，为探测配合物与DNA 的反应提供了方便的研究手段，配合物与DNA 的反应大致可分为以下三类2: (1) 直接氧化断裂DNA 链(2) 与DNA 碱基的氧化反应。(3) 水解反应。水解使得磷酸二酯键断裂比氧化还原造成的裂解更有优越性，因为这样不破坏碱基，可以保持遗传信息，也比较容易使裂解产物重新组合起来。 金属离子和配合物对促进磷酸二酯键水解能够发挥的有效作用，在于他们具有Lewis 酸的功能， 可以使磷氧键激化，有利于其断裂， 也可以提供已配位的亲核配体给磷，形成五配位

4、的磷酸酯中间产物。借助于Co( III) 乙二胺磷酸酯等模型系统，人们可以清楚地推断这种作用的机理。简单金属离子如 Zn2 + ，Pb2 + 对RNA 水解的促进作用也已为人们所了解。近些年来， 各国科学家们在金属离子配合物方面的研究取得了许多令人欣喜的成果。Zhou3等用二吡啶和联苯修饰-环糊精，并与 Zn2+离子进行配合， 这种配合物具有催化羧酸酯键的功能，同时这种配合物也具有催化水解磷酸二酯键的能力，并且随着 pH 的升高催化效率呈递增趋势，这为日后利用配合物实现水解 DNA 或RNA 探明了道路。 金属离子碳氮杂环配合物的水解作用因此，空间位阻小、配位方式灵活的碳氮杂环化合物以及其衍生

5、物的金属离子配合物就成了水解蛋白与核酸的最佳候选。 Yu4-5等分别利用琼脂糖和壳聚糖制备的树脂为固相载体，再同Ce （ IV）进行配合，以多糖分子中的多个-NH2基团在空间形成的簇作为金属离子催化水解提供微环境。用此方法制备出来的金属离子- 树脂配合物同时具有水名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 解肽键和磷酸酯键的能力。近年来 , 以二、三核金属配合物作为水解酶模型的研究工作进展显著6, 多种配合物被设计合成并应用

6、于催化核酸、 磷酸酯和酰胺的水解, 取得了丰硕的研究成果。2 计算方法2.1 计算练习(1) 用Gauss View 分别构筑一氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷分子，使用Gaussian 03W ，在HF/3-21g 方法基组水平下，计算三种分子的单点能。（命名CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3）(2) 用HF/3-21g 分别优化上述(1) 中的一氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷分子，并计算它们的频率， 得到三种分子的热力学函数值。( 命名CH3Cl_f, CH2Cl2_f, CHCl3_f）(3) 分别构筑甲烷、甲醇和甲醛分子，使用HF/3-21g 方法基组，优化这三种分子，并比较它们的偶极矩

7、（ dipole moment） 。 ( 命名 CH4 ，CH3OH ，HCOH) (4) 丙烯构象的优化：HF/6-31G(d) 构筑两种构象的丙烯分子，优化结构，比较相应的C-C键长、 C-C-C键角、 C-C-C-H二面角以及两种构象的能量， 讨论不同构象之间的结构和能量关系。（命名，propene_1 ， propene_2 ）(5) 分别建立甲烷和甲醇分子，采用B3LYP方法及 6-31G基组，优化。( 命名CH4_charge, CH3OH_charge)比较两分子中对应C原子和 H原子的 m lliken电荷，讨论羟基对电荷分布的影响。(6) 构建乙烯分子， 采用 HF/3-21

8、G 方法基组，优化后， 使用 .chk 文件查看乙烯分子的前线轨道，包括HOMO和 LUMO 。根据轨道形状和能量，讨论乙烯的反应性。( 命名 ethene) 2.2 无金属催化剂下的磷酸酯水解2.2.1 反应物和产物分子的结构优化与能量计算用 GaussView构筑 1、 2、 3、 4分子，优化并计算频率，得到单点能和热力学函数值。2.2.2 过渡态结构的频率计算根据给出的过渡态TS结构进行频率计算，得到单点能和热力学函数值。2.2.3 反应前期络合物和产物络合物的结构优化与能量计算用 GaussView构筑反应前期络合物RC 和产物络合物 PC ，优化， 得到单点能和热力学函数值。2.3

9、 金属催化剂催化磷酸酯水解2.3.1 磷酸酯结构的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用 GaussView构筑磷酸二酯1分子，优 化，得到该分子的单点能。2.3.2 Zn配合物 2 或Zn配合物 2结构的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用 GaussView构筑 Zn配合物 2或 Zn配合物2 ，优化，得到Zn配合物的单点能。2.3.3 Zn配合物 2（或 2）与磷酸酯作用后的结构，即中间复合物3（或 3 ）的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用 GaussView构筑中间复合物3或3 ，优化，得到中间复合物的单点能。2.3.4 过渡态结构 4（或 4 ）的理论模型的建立及结构优化与单

10、点能计算用 GaussView构筑过渡态结构4(4 ) ，优化，得到过渡态的单点能。2.3.5 产物结构的理论模型的建立及结构优化与单点能计算用 GaussView构筑磷酸 5与对硝基苯酚6，优化，得到它们的单点能。3实验结果与讨论3.1 计算练习3.1.1 实验结果表 1 CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3单点能CH3ClCH2ClCHCl3E(RHF) -496.683423663-953.382786363-1410.07525449Opt E(RHF) -496.689483327-953.390599979-1410.08422332zero-point Energies(E0

11、)-496.649135-953.359448-1410.063386名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - thermal Energies-496.646112-953.355870-1410.058919thermal Enthalpies(H)-496.645167-953.354926-1410.057975ThermalFree Energies(G) -496.671848-953.385716-1410.

12、091646比较优化前和优化后的单点能可以看出优化后的单点能明显比优化前的单点能低，说明优化后能量更低，结构更加的稳定。表 2 偶极矩CH4 CH3OH HCOH 偶极矩0 2.1227 2.6583 CH4的偶极矩为零没有极性，CH3OH 有羟基极性增加，HCOH的有羰基吸电子作用更加强，极性最大。表 3 丙烯构象的优化键长键角二面角E(RHF) 1 1.50992 124.963 180 -117.025303599 2 1.50161 125.244 0 -117.028276319 由上得知结构2 的能量更低， 结构更加稳定，说明二面角为0时氢原子相互错开，减少了相互作用力，使结构稳定

13、。表 4 CH4、CH3AlH2m lliken电荷H-C C Al H-Al CH4 0.145 -0.578 CH3AlH2 0.168 -0.790 0.686 -0.191 由上表对比得金属Al 有给电子的作用，电荷给了一部分电荷给C 和其所相连的H，使得 C 和 H 所带的负电荷增加。表 5 乙烯分子轨道HOMO 能量 :0.186 LUMO 能量 :-0.379 分子中， HOMO 上的电子能量最高，所受束缚最小 , 所以最活泼 ,容易变动； 而 LUMO 在所有的未占轨道中能量最低，最容易接受电子，因此乙烯具有很高的反应性。3.2 无金属催化剂下的磷酸酯水解3.2.1 实验结果表

14、 6 单点能和热力学函数值E(RB+HF-LYP)zero-point Energies(E0) thermal Energies thermal Enthalpies(H) thermal Free Energies(G) 1 -385.138724155 -385.046048 -385.038261 -385.037317 -385.078454 2 -346.045257327 -345.981122 -345.974226 -345.973282 -346.011991 3 -75.2462771741 -75.240149 -75.237788 -75.236844 -75.256

15、585 4 -115.073592643 -115.022852 -115.019585 -115.018641 -115.045592 OH-IM -460.351171151 -460.247966 -460.237929 -460.236985 -460.283073 OH-TS1 -460.342302944 -460.241655 -460.232187 -460.231243 -460.276417 OH-TS2 -460.348959319 -460.245833 -460.236711 -460.235767 -460.279465 RC -460.354846074 -460

16、.254918 -460.243533 -460.242589 -460.293731 PC -460.423821330 -460.320517 -460.310303 -460.309359 -460.357382 3.2.2 讨论3.2.2.1 计算磷酸二酯1 与水分子2 的相互作用能（稳定化能）碱性条件下3 为 OH-名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 磷酸二酯1 与氢氧根3 的相互作用能=中间复合物RC的能

17、量 -（磷酸二酯1+氢氧根 3）(1a.u.=627.51 kcal/mol= 2625.5 kJ/mol) 用总能量计算： -460.243533-（-385.038261-75.237788 ）=0.032526 a.u.=85.37KJ/mol 用单点能计算：-460.354846074-（-385.138724155-75.2462771741）=0.03015527a.u.=79.17kj/mol 3.2.2.2 计算反应热反应热 =磷酸 2 的能量 +4 的能量 -磷酸二酯1 的能量 -3的能量用晗变计算 H=-345.973282+(-115.018641)-(-385.0373

18、17)-( -75.236844)=-0.717762a.u.=-1884.48KJ/mol 用单点能计算E=-346.045257327-115.073592643 -（-385.138724155-75.2462771741 ） =-0.73385a.u. =-1926.72KJ/mol 3.3 金属催化剂催化磷酸酯水解3.3.1 实验结果表 7 单点能3.3.1 讨论3.3.1.1磷酸二酯 1与配合物分子2的相互作用能稳定化能 =中间复合物3的能量 -（磷酸二酯 1+配合物分子2）=-1984.07467441- （-932.236889318-1051.66650049 ）=-0.17

19、12847a.u.=-449.71KJ/mol3.3.1.2 反应热反应热 =磷酸 5的能量 +对硝基苯酚 6的能量 - 磷酸二酯 1的能量=-423.049651964+（-509.074495677 ） - （-932.236889318 ）=0.1127418a.u.=296.00KJ/mol3.3.1.3 试与磷酸二酯1在没有催化剂作用下的反应速率比较，从而进一步加深对金属配合物与核酸作用的认识。k1/k2=exp(-79.17+449.71)*1000/(8.314*298) =8.98*1064 该结果相差数十个数量级说明在碱性条件下，磷酸二酯水解的速度远远小于金属配合物的水解的速

20、度。单纯的依靠磷酸的水解是远远无法满足人体需求的，人体内微量元素，金属离子和配合物对促进磷酸二酯键水解非常有优势4 结论本实验采用 Gauss View 建模，模拟了磷酸酯分别在金属催化剂与碱性的情况下水解的过程，对分子进行结合结构优化、能量计算以及频率分析，高效准确的得到分子的单点能，更加深入的了解分析金属配合物催化核酸水解反应的作用机制。直观反映金属配合物的催化速度明显高于无无催化剂时磷酸二酯的水解。5 感想通过这次实验，我认识到gaussian 软件是一个非常有用的软件，它为分子结构的研究带来了极大的方便，通过计算机的理论计算就可以模拟出分子的反应，省却了许多实验时间。结构搭建得好，优化

21、的时间就会比较的短。还有要求要注意，比如说单点能要从最后数上去，一开始就弄错了，一定要细心。参考文献1Allen G. Specific Protein Degradation by Copper（II ）IonsJ.Met Ions BiolSyst，2001 ，38：197. 2 江雪清，王明召，姬进进，等镓( ) 水杨醛氨基酸 Schiff 碱配合物与 DNA 的相互作用研究 J河南师范大学学报:自然科学版，2010，38( 5) : 129 1313 Zhou Yinghua，Zhao Meng ，Mao Zongwan ，et al. Ester Hydrolysis by a Cy

22、clodextrin Dimer Catalyst with a Metallophenanthroline Linking GroupJ. ChemEur J，2008，14：7193-7201. 4 Yu Lina，Wang Dongfeng ，Li Haiyan ，et al. Hydrolysis activitiesof resins of complexes made from polysaccharides and Ce4 +J.Journal of Rare Earths，2006，24：125-129. 5 Yu Lina，Wang Dongfeng ，Li Haiyan ，

23、et al. Hydrolysis activitiesof resins of complexes made from polysaccharides and Ce4 1 2 3 4 5 6 5+6+2 E -932.236889318 -1051.66650049 -1984.07467441 -1984.06913073 -423.049651964 -509.074495677 -1984.07166685 +J. Journal of Rare Earths，2006，24：125-129. 6 相艳. 多核金属配合物模拟水解酶催化研究进展化学通报 2004,9:648-655 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -