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生物小分子体系激发态氢键动力学及质子转移机理的理论研究

唐喆  
【摘要】:氢键作为最重要的弱相互作用之一在自然界中是无处不在的,因其在化学和生物反应过程中产生的重要作用,而成为了研究者们关注的重点。在复杂的生命体系中,氢键会直接影响生物分子体系的分子结构和相关功能。例如,激发态氢键加强现象,有利于加快氢键复合物的电子态之间内转换速率,同时会促进激发态质子转移反应的发生。激发态质子转移反应作为生物领域中最为重要的反应之一,可以用于荧光探针和生物分子开关的设计与应用,治疗肿瘤、艾滋病等特殊药物分子的研发。因此,激发态氢键动力学及质子转移过程对生物分子体系的结构和相关功能会产生什么样的影响呢?这正是本文所研究的重点。本文主要采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(DFT)方法结合极化连续溶剂化模型的(IEFPCM)对生物小分子体系激发态氢键动力学及质子转移机理进行深入研究。我们主要针对以下四个具体的生物小分子体系进行详细说明:(1)通过对色氨酸类似物2,6-二氮杂吲哚(2,6-DAI)在水溶液中参与激发态质子转移反应的水分子个数进行研究。首次发现2,6-DAI在水溶液中可以与三或四个水分子形成团簇发生质子转移反应并且确定出最优的反应路径,同时发现该质子转移反应是协同过程。(2)通过对天然产物3-羟基黄酮类衍生物4'-二甲基氨基黄酮醇(DMAF)分子在高极性乙腈(ACN)溶剂中的激发态氢键动力学行为进行研究。我们发现在光激发后,DMAF分子在ACN溶剂下首先会发生扭转的分子内电荷转移,并且会进一步促进激发态分子内质子转移的发生,对前人实验中对DMAF分子在ACN溶剂下进行的研究进行补充。(3)同样是对3-羟基黄酮类衍生物3,7-二羟基-4-氧代-2-苯基-4氢-色烯-8-甲醛(2a)分子的激发态分子内双质子反应及前人实验上仅测得单荧光产生的原因进行理论研究。首次证明出2a分子在第一激发态存在三种质子转移结构其中包括两个单质子转移结构和一个双子转移结构,并且合理解释产生单荧光的原因。(4)通过溶剂化是否对苯并咪唑类药物分子衍生物2-(4'-氨基-2'-羟基苯基)-1氢-咪唑并[4,5-c]吡啶(AHPIP-c)激发态氢键动力学及质子转移进程的影响进行理论研究,我们发现AHPIP-c分子的激发态分子内质子转移进程会随着溶剂极性的增加而增加。总之,我们的研究内容不仅可以证明所选的量化计算方法具有高效性与合理性,也进一步从理论角度对生物小分子体系在前人实验上得到的不足机制加以补充说明。


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