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有机酸与H_2O_x间的氢键相互作用的理论研究

石云  
【摘要】:在化学、生物等广泛的领域内氢键起着非常重要的作用,因此引起了科研工作者的广泛关注。氨基官能团是非常重要的,他的重要性体现在它是缩氨酸和蛋白质的最基本的联接基团。甘氨酸是自然界中二十一种氨基酸中最简单的一种,人们经常选它作为研究生物体系的模型,来说明氨基酸的成键类型和DNA的分子结构。另外,由于甲酸的简单性,它也经常被选为研究体现有机酸成键类型的生物体系的模型。本论文就是选取了这两种简单而且具有代表性的有机酸分子:甲酸和甘氨酸,采用高水平从头算方法和密度泛函理论(DFT)方法研究了他们和H_2O_x(H_2O和H_2O_2)之间的氢键相互作用的机理。通过对这三个体系的研究得到了一些有用的结论。 全文包括六章。第一章分为三节:第一节简单介绍了氢键相互作用的理论背景和相关内容:第二节概述了振动光谱理论研究方法的发展、研究现状;第三节扼要的阐述了本文的主要研究工作。第二章就本文主要的研究依据—各种相关计算方法进行了简明扼要的介绍,旨在说明我们选用DFT方法的理论依据,经过比较,对于我们的研究体系DFT方法是我们的最佳选择。第三章介绍了红外光谱的谐振子模型、简正振动类型和频率特征。前三章主要概括了本文工作的理论背景、理论依据,为我们的研究提供了可靠的量子化学方法。 在这些基本理论的基础上,第四章我们采用密度泛函理论(DFT)和MP2方法系统地研究了甲酸与水分子间的氢键相互作用机理。我们找到了十二种稳定构型,其中,六种是甲酸和一个水分子形成的络合物,另外六种是甲酸和两个水分子形成的络合物。我们在不同的机组水平上计算了所有物种的最优化几何参数和他们的相互作用能。在所得的各物种平衡构型基础上,我们报导了各物种的红外光谱频率、红外强度以及谐振频率的位移。并且对单体之间的结合能进行了分析和计算。最后,我们还研究了溶剂效应对甲酸-水络合物的势能面的影响,研究溶剂效应时,我们应用了自洽反应场模型。计算是在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上进行的。 曲阜师范大学硕士论文 在第五章中,我们又研究了甘氨酸和水以1:1形成的络合物的氢键相 互作用。同样,我们也是采用杂化的密度泛函理论(DFT-B3LYP)以及MPZ 方法在不同基组水平上计算了体系中的各物种的平衡构型、总能量、振动频 率。在这个体系中,我们找到了甘氨酸和水作用的四种稳定构型,其中最稳 定的构型是一个环状的双氢键结构。同时,我们还报导了各物种的红外光谱 频率,红外强度以及谐振频率的位移。最后,我们也是用自洽反应场模型, 在B3LYP/6一311十十G(d,P)水平上研究了溶剂效应对甘氨酸一水络合物的势能面 的影响。 在前两个体系研究的基础上,我们得知B3LYP方法是密度泛函理论中 (DFT)最优越的,它的计算结果与实验值符合的最好,又不费机时。因此, 在第六章我们用B3LYP方法研究了甘氨酸和过氧化氢以1:1形成的络合物 的氢键相互作用。在这个体系中,我们找到了五种稳定构型,而且它们都是 环状结构。类似于前面的研究,我们同样在不同基组水平上计算了所有物种 的最优化几何参数和它们之间的相互作用能,报导了各物种的红外光谱频 率、红外强度以及谐振频率的位移。 通过对我们所选择的这几个体系的研究,我们发现当两种物质之间有氢 键相互作用时,参与形成氢键的键的伸缩振动频率与独立的单体相比都发生 了红移,这是因为氢键的形成削弱了这些键的缘故;另外,还发现授氢者的 伸缩振动强度有极大的增强。


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