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氨基酸的构型和性质及CF3H灭火反应动力学的从头计算研究

张美玲  
【摘要】: 随着计算方法和计算机技术的飞速发展,理论计算在科学研究中已经占有越来越重要的地位。一方面,运用各类计算软件,人们已经能以较小的成本在计算机上实现对化学物质和化学反应的高精度研究;另一方面,从量子化学理论出发,人们能对化学物质的结构和功能以及反应做出新的合理设计,从而指导进一步的实验。理论计算已经成为解决许多科学问题的强有力的理论工具。 本论文的研究方向是使用密度泛函理论和从头算方法研究氨基酸的构型和性质以及CF3H的灭火机理。本论文共6章,分为四部分,第一部分(第一章)是关于本论文使用的一些计算方法和动力学计算的基本理论的介绍,第二部分包括三章(第二章到第四章),主要是关于氨基酸在气相和液相中的构型和性质研究,第三部分(第五章)是关于反应动力学方面的研究,主要讨论了CF3H的灭火机理,最后对所做的工作做一下总结(第六章),具体内容如下: 第一章主要对本论文使用的一些计算方法和动力学计算的基本理论进行了简单的介绍。首先回顾了量子化学的发展,接着介绍了量子化学的基本原理,包括组态相互作用理论、耦合簇理论、多体微扰理论、密度泛函理论和含时密度泛函理论;同时,介绍了本论文使用到的溶剂化模型、分子中的原子理论、自然键轨道理论以及计算化学反应速率常数的传统过渡态理论和RRKM理论。 第二章首先简单介绍了组成蛋白质基本结构的20种氨基酸,由于芳香型氨基酸酪氨酸具有苯酚环,可作为发色团来探测蛋白质内部的相互作用,因此,研究酪氨酸的结构性质对于进一步研究蛋白质大分子具有重要意义。本章应用高精度的从头算方法和密度泛函理论探测气相酪氨酸的构型势能面,研究其构型分布及其相关性质,并根据计算结果评定各种理论方法和基组的优劣。另外,应用含时密度泛函理论计算了中性和质子化酪氨酸的电子吸收谱,解释酪氨酸的光谱现象。 第三章研究了脂肪族氨基酸苏氨酸,由于含有侧链羟基,可以形成更多与生命过程密切相关的氢键,在生物学上具有重要意义,本章应用高水平的从头算方法和密度泛函理论探测气相苏氨酸的构型势能面,研究其构型分布及其相关性质,解释苏氨酸的光谱现象。另外,氢键是一类既复杂又重要的相互作用,尽管这种作用比共价键弱得多却对描述分子许多行为以及决定物质的物理性质和化学性质非常要。尤其在生物分子体系中,许多生理过程都是通过氢键作用体现出来的,本章应用分子中的原子理论和自然键轨道理论分析苏氨酸局域稳定构型的分子内相互作用。 在第四章,我们把目光转向更接近于氨基酸真实存在环境的水溶液中来研究氨基酸的结构性质。本章应用Onsager和CPCM等溶剂化模型研究苏氨酸在溶液中的构型势能面,构型分布及其相关性质,验证中性构型和双电性构型在溶液中的相对稳定性,利用Combined Discrete/SCRF方法,讨论水分子的个数对苏氨酸中性构型和双电性构型相对稳定性的影响。 前面三章涉及的都是氨基酸,在第五章,我们研究的是具有广泛市场发展潜力的哈龙替代气体灭火剂CF3H的灭火机理,研究表明,CF3H的灭火过程中主要涉及三个反应:三氟甲烷(CF3H)单分子分解反应及CF3H消除OH自由基和H自由基反应,本章分别用B3LYP/6-311++G~(**),QCISD(T)/6-311++G~(**)木和G3B3理论研究了这三个反应的势能面,给出了反应物、产物和过渡态的几何结构和相对能量及各个反应通道的反应能垒;此外,用过渡态理论计算了比较有意义的反应通道的反应速率常数,并和已有的实验数据做了对比,我们发现在CF3H灭火过程中,CF3H消除OH自由基反应中的H原子吸收反应是主要的反应通道,而CF3H的单分子解离反应在灭火过程中并不重要。比较了三个反应在灭火中所起的作用并且找到了最有利的反应通道。 第六章,对本论文所做的工作进行总结。


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