DFT理论研究磷酸与水分子间相互作用

【摘要】：分子间相互作用在化学、生物等广泛的领域内起着非常重要的作用，这类作用的实验和理论研究越来越受到化学家、生物学家、材料学家等的重视。在分子间相互作用的研究中，氢键作用是人们研究得最早的分子间相互作用，人们对它的认识过程也普遍反映了人们对分子间相互作用的认识过程。分子间相互作用在生物中高选择的识别、反应传递和调制过程中扮演重要角色，对其本质的理论研究可以在一定程度上阐明某些生命现象、生命进化过程乃至生命学等深层次的问题。 磷酸是磷元素的最高价(+v)含氧酸，包括正磷酸(H_3PO_4)、焦磷酸(H_4P_2O_7)、三磷酸(H_5P_3O_(10))、偏磷酸[(HPO_3)n]。磷酸是常见的无机含氧酸之一，属于多元中强酸，其在工业和农业中有着极其广泛的应用。特别是在生物界中磷酸能与许多有机物结合形成酯，磷脂及其酸酐统治着生物界。遗传物质DNA和RNA是磷酸二酯，磷酸酯基团是连接核酸的桥连基团。三磷酸腺苷ATP分子由三部分组成：腺嘌呤，D-核糖，及以酯键相连的三个正磷酸基团。与ATP相似的另外两个化合物是AMP和ADP，分别含有一个与两个正磷酸基团。ATP非常倾向于水解，水解时磷酸链断裂生成ADP和—分子正磷酸。尽管磷酸与DNA、RNA、ATP在化学上有明显不同，但磷酸是它们的分子片段，是理解其的理想模型。水是生命之源，一切生命活动都离不开水，水在生物大分子结构稳定化和实现生物功能方面有重要作用。磷酸分子中含有P—O及较多的OH基，根据氢键形成的条件，水分子与之作用将有很多可能，这些可能包括：磷酸和水何者是质子接受体；水与磷酸作用的所有可能位置中，哪些占优势；水分子的作用对磷酸分子内氢键是否有影响。通过对磷酸与水的分子间相互作用研究，也许能对DNA与水的作用，ATP水解及高能磷酸键P—O—P键的理解提供重要信息。 本论文采用Gaussian03程序，在PBEPBE／6-311++G~(**)水平上，对H_3PO_4…H_2O、H_3PO_4…2H_2O、H_4P_2O_7…H_2O、H_5P_3O_(10)…H_2O氢键复合物的可能构型进行优化，频率验证，找到复合物的稳定结构，并分析其结构参数，找到水与其作用的优势位置。在同样的水平下计算了复合物的结合能，同时进行了振动频率分析。 对于H_3PO_4…H_2O，得到的四种稳定构型总体上看是形成接近于平面的六元环