淀粉分子电子结构的量子化学研究(I):结构单元、糖苷键和氢键的特性

运用量子化学计算研究淀粉分子的微观结构和化学键的性质.淀粉分子的反应活性中心为C3位、C2位和C6位羟基,活性顺序是C3位羟基＞C2位羟基＞C6位羟基.糖苷键的成键效应不大,反键效应较明显,糖苷键中C一O键极性大,键级小,氧上带很多电荷.离子性明显,易受亲电试剂(如氢离子)的进攻.     

纤维素吡喃糖键裂解反应的理论研究

以1,4-二甲氧基吡喃葡萄糖为模型分子,采用密度泛函理论方法,在B3LYP/6-311++G**水平,对纤维素分子吡喃糖单元中各键的解离能及其裂解反应的热力学性质进行了理论研究.计算结果表明,键解离能最大的是C2、C3连接羟基的2个C—O键,且比其他键的解离能大得多,而键能最小的是C4—C5键,这与该键具有最长的C—C键长是一致的.C1位糖苷C1—O4键的解离能比C4位糖苷C4—O4键的大16.92 k J/mol.从键裂解活化自由能来看,最容易断裂的4个键分别是C4位的糖苷键、C5—C6脱羟甲基、C4—C5键断裂开环和C1位糖苷键.非常有意思的是在计算C5—O5键开环断裂时发现伴随有C1—C2键的断裂.进一步研究2个键同时断裂的结果表明,该断裂方式不仅键的解离能比键能最小的C4—C5键小11.37 k J/mol,而且裂解活化自由能比其他裂解方式小得多.因此,该裂解方式是纤维素分子裂解最容易进行的方式,裂解产生五元碳链双自由基中间体和另一吡喃糖环C4位甲酸酯.在此基础上,提出了纤维素老化降解产生CO/CO_2气体,糠醛和甲醇等信号分子的可能生成机理.     

氟代蔗糖的密度泛函理论研究

采用密度泛函B3LYP／6—31G^＊＊方法，计算研究了蔗糖和氟代蔗糖的结构和性能，重点探讨了取代基效应。计算发现，C4＇和C3位取代物能量较低，而C3＇和C2位取代物能量较高，一氟蔗糖异构体之间的最大能量差为43．09kJ，二氟蔗糖的最大能量差达到68．96kJ。氟取代对键长、键角、远离取代位的电荷分布影响较小，但对蔗糖分子的立体构型、取代位附近的电荷分布和偶极矩的影响较大，C3＇和C6’取代可使偶极矩增大，而C2、C4’、C4取代使偶极矩减小。氟取代物的C3’位有F取代时AE较低，而C6位有F取代△E较高。除八氟蔗糖外，其他氟取代物的红外光谱在500～4000cm^-1的谱形都与蔗糖很相近。     

纤维素热解机理的分子模拟及产物形成途径

为了从微观上确定纤维素热解主要产物的形成机理,对聚合度为10的纤维素单分子进行了分子动力学热裂解模拟,模拟发现温度上升到450K时,开始有羟基键断裂,随着温度的升高,在600K时糖苷键开始断裂形成纤维素单体,糖苷键断裂的同时也发现环状单体内部键断裂形成各种分子碎片。结合相关文献的实验结果,对模拟得到的各种分子碎片形成最终产物的可能途径进行了分析。     

N_2H_4分子取代基效应的量子化学研究

计算了甲基(—CH_3)和羟基(—OH)对N_2H_4的取代基效应.引入甲基后,N_2H_4的N—N键长变长,电荷密度变小.羟基的引入,使得N—N键长变短,其中1,1,2,2-四羟基N_2H_4的N—N键长显著变化.通过NBO计算,N—N键的键级随着取代基个数的增加逐渐减小,超共轭作用在决定构型相对稳定性方面起了重要作用.引入取代基后,N原子的孤对电子与N—C(N—O)键之间发生相互作用,使得整个分子的超共轭作用增强.随着取代基数目的增多,分子的总能量和生成热均降低,取代基数目与分子相对稳定性之间具有较好的相关性.     

Al2O3催化下的取代β-羟基胺Schiff碱衍生物的C-C键裂解反应

探讨了中性Al2O3催化下的取代β-羟基胺Schiff碱衍生物的C—C键裂解反应,结果表明,在Al2O3存在下,由取代苯甲醛与1,2-二苯基-2-氨基乙醇形成的亚胺类化合物很容易通过逆ene反应过程发生α,β-C—C键断裂,且反应不受芳醛分子中邻位基团的影响.通过跟踪反应进程,提出了可能的反应机理.     

穗花杉双黄酮罗伯斯特双黄酮质谱裂解特征研究

采用负离子检测模式下的电喷雾多级串联质谱(ESI-MS)方法对穗花杉双黄酮和罗伯斯特双黄酮的质谱行为进行研究,讨论C3′—C8″与C3′—C6″连接的双黄酮类化合物结构特征与质谱裂解行为之间的异同。实验结果表明:2种C—C连接的双黄酮类化合物在相同的质谱条件下均可以在C环发生0,4键断裂,生成质荷比m/z=375的碎片离子。此离子峰为C—C连接的双黄酮类化合物共有的特征离子峰;但是由于C—C连接位置的不同,这一对同分异构体的裂解途径也存在着明显差异。C3′—C6″连接的罗伯斯特双黄酮,由于空间构型的影响,在质谱条件下,C4′位的羟基更易于与C5″或者C7″位上的羟基发生分子内脱水,生成丰度响应值较高的碎片离子m/z为519和309。这2个碎片离子是罗伯斯特双黄酮的特征碎片离子,可用于区分穗花杉双黄酮和罗伯斯特双黄酮。     

N_3H_3分子取代基效应的的量子化学研究

计算了羟基(—OH)和甲基(—CH3)对环丙氮烷和丙氮烯的取代基效应.环丙氮烷引入羟基后,1,2-二羟基环丙氮烷和1,2,3-三羟基环丙氮烷的N—N单键显著增长,而羟基的引入使丙氮烯分子的NN双键的键长变短,N—N单键的键长变长.引入甲基后,环丙氮烷的键长增长,而丙氮烯的NN双键的键长增长,N—N单键的键长变短.取代基引入后,N原子的孤对电子与N—O(N—C)键之间发生相互作用,整个分子的超共轭作用增强.随着取代基数目的增多,总能量和生成热降低,取代基数目与分子能量之间具有较好的相关性.     

4种11-脱氧甘草次酸3,30一双糖链皂苷的合成

合成4种11-脱氧甘草次酸3,30双糖链皂苷。以苯甲酰基保护的糖基三氯乙酰亚胺酯为供体,在TMSOTf的催化作用下与11-脱氧甘草次酸C3位羟基和C30位羧基进行偶联,以较好的收率制备得11-脱氧甘草次酸3,30双糖链皂苷(6a,6b,6c,6d)。化合物均未见报道,结构经核磁共振(~1H NMR)确证,均为1,2反式构型糖苷键。     

1-(2,3,4-三羟基苯亚甲基)-4-羟基氨基脲结构与性能的DFT研究

采用DFT方法在B3LYP／6-3lG水平上,对1-(2,3,4-三羟基苯亚甲基)-4-羟基氨基脲(THBMHNU)的电子结构进行了量子化学计算,给出了分子的几何构型和原子的净电荷值、键级和前沿分子轨道特征(组成、能级与轨道电子密度)等参数．初步探讨了分子的电子结构与抗癌活性间的关系,结果表明该分子整体呈非平面构型,仅具C1对称性;分子中除有-NHCONHOH药效团外,尚可能有一附加药效团-三羟基苯亚甲基;分子中的所有O原子及C2、C5原子等都很可能是与酶RR发生作用时的活性位点．     

8种B环间位取代异黄酮衍生物的核磁共振谱理论研究

在B3LYP 6 31G 水平下优化了 8种B环间位取代异黄酮衍生物的几何构型 ,在B3LYP 6 311G 水平下计算了该类化合物的核磁共振谱 ,研究结果表明 :对 1A～ 1D而言 ,羟基引入后O(15 )与羟基上的H(19)形成分子内氢键 ,使整个分子形成一个四环的交叉共轭体系 .由于羟基的引入 ,使 βC(5 )、C(6 )的相对化学位移均有较大程度的减小 ,而αC(9)上的化学位移增加幅度最大 .从取代基对NMR的影响来看 ,H(16 )基本不受取代基的影响 ,邻位H(2 4 )、H(2 9)和对位H(2 5 )的NMR数据从 1D～ 1A依此增大 ,间位C(2 3)的NMR数据变化较小 ,即间位碳受取代基的影响也较小 ,对位C(2 1)从 1D～ 1A依次减小 ,邻位C(2 0 )和C(2 6 )的NMR数据变化趋势不明显 .     

共振散射法测定β-环糊精与氯霉素在水溶液中的包结常数

环糊精(Cyclodextrin,CD),是由环糊精葡萄糖基转移酶作用于淀粉所产生一组环状低聚糖,单体间以α-1,4糖苷间结合而成,其分子形状略呈锥形的圆环,其空腔内侧由两圈氢原子(H-3和H 5)及一圈糖苷键的氧原子处于C-H键的屏蔽之下,所以CD内腔是疏水的,而CD分子的外侧边框则由于羟基的聚集而呈亲水性,正是由于CD这种"内疏水,外亲水"特殊的分子结构,使得CD能作为"宿主"包络不同"客体"化合物,形成特殊结构的包络物.     

胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚体光解离反应的动力学模拟

采用半经典动力学方法模拟了紫外辐射诱导下胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚体(T＜＞C)光解离反应过程.采用FWHM=25fs的激光激发游离的(T＜＞C),模拟发现解离是非协同过程,C5-C5'键先断裂,C6-C6'键随后断裂.解离后生成一个胸腺嘧啶单体和一个胞嘧啶单体,这两个分子在断键的同时衰减至基态.     

应用光谱技术研究葡萄糖异构酶与金属离子的作用

利用紫外差分光谱和可见光谱对产自嗜热放线菌M1033菌株的葡萄糖异构酶进行了研究。结果表明，葡萄糖异构酶与其金属激活离子Co^2 ,Mg^2 及抑制离子Ca^2 存在键合作用，这种键合使用至少存在强键和弱键两种不同的结合方式，其结果使得葡萄糖异构酶分子结构发生了变化。Co^2 与酶分子有8个强键结合位，6个弱键结合位，而Mg^2 和Ca^2 则分别有32个和26个强键结合位，这3种金属离子在酶分子上有一些相同的结合位，结合物的微环境中存在色氨酸或酪氨酸残基。     

几种黄酮类化合物核磁共振谱的理论研究

在B3LYP／6—31G水平下优化了3种黄酮类化合物的几何构型．在振动分析中，均未出现虚频率．在B3LYP／6—31G的水平下采用了GIAO方法计算了该类化合物的核磁共振碳谱．研究结果表明：3种分子均有分子内氢键形成，且分子内氢键的键长为0．17nm左右．讨论了羟基引入之后对邻近C的化学位移的影响．从取代基对NMR的影响来看，随着取代基对苯环的供电子能力的加强，取代基邻近的一些C的化学位移有所改变．     

锗杂硫烯酮及其相关分子的量子化学计算研究

使用ab initio(HF)和密度泛函法(B3LYP,B3P86),在6-311 G(d,p)和6-311 G(3df,2p)基组水平下,对锗杂硫烯酮及其相关分子进行了优化构型的量子化学计算.计算结果表明,标题物Ⅰ和Ⅲ为反式弯曲几何构型,Ⅱ和Ⅳ为弯曲几何构型.NB0分析表明,Ⅰ中Ge原子上有孤对电子,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中有弯曲弱σ键,该键有明显的π键性质,Ⅰ中有C(←=)O键,Ⅲ中有C(←=)S键.     

分子中C—C键离解能的密度泛函研究

利用密度泛函理论（B3LYP．B3PW91,B3P86）,使用6-31G^＊和6-311G^＊基组计算了18个分子中的C—C键离解能。通过比较计算值和实验结果．发现B3P86／6—311G^＊方法能给出与实验相符合的结果,而B3LYP和B3PW91方法则不能给出满意的C—C键离解能。另外,研究发现C—C键的键长与其键离解能呈线性关系,利用此关系预言了7个分子的C—C键离解能＋得到的结果与实验结果符合较好。     

质子化和低能电子俘获对N-糖苷键解离性质影响的理论研究

采用B3LYP密度泛函方法,在6-311++G(2d,2p)基组水平上,对3种嘌呤核苷体系及其N7-质子化和低能电子俘获形成的衍生物结构性质、键解离能、水解机理进行了计算调查.计算结果显示,质子化嘌呤核苷与中性嘌呤核苷的水解机理并不相同,且质子化可以明显减少N-糖苷键离子解离通道所需要的能量,降低其水解活化能,稳定水解产物,极大地促进N-糖苷键的水解.与质子化作用类似,嘌呤核苷俘获低能电子,也能显著地降低N-糖苷键的键解离能,显著地影响嘌呤核苷的稳定性.     

人参多糖的研究(Ⅰ)

从人参根废渣中可提取8—10％水溶性人参多糖。人参多糖中80％是人参淀粉。经淀粉酶脱去淀粉后的人参果胶主要由半乳糖醛酸、半乳糖、阿拉伯糖残基组成,也有少量鼠李糖残基。经酸的水解及果胶酶酶解,把人参果胶裂断成不同片段,对各片段用多种方法初步研究,半乳糖醛酸残基在人参果胶中的连接是(1→4)键,可能是α—糖苷键。半乳糖残基间有(1→3)与(1→6)的连接,可能是β—糖苷键。阿拉伯糖、鼠李糖残基较少,可能分布在分子的边缘链上。经动物试验人参多糖有一定程度的抑瘤活性(40—60％)。     

硝基甲烷正、负带电离子氢转移反应位垒的计算研究

采用DFT（UB3LYP）方法，在6—311＋＋G^＊＊基组水平上，计算研究了硝基甲烷2种带电结构[CH3NO2]^＋和[CH3NO2]^-分子内H原子向O原子转移后的O-N键的解离机理和反应位垒．结果表明，[CH3NO2]^＋发生氢转移后，O-N键的断裂是2步反应，第一步是分子内的H原子转移到O原子上，生成中间体[CH2N（OH）O]^＋，反应位垒为106．5kJ／mol；第二步是中间体中O-N键断裂，这步的反应位垒为105．5kJ／mol，理论计算得出的产物带电状态与实验一致．[CH3NO2]^-中H原子向O原子转移及O-N键断裂反应一步完成，生成一氢键复合物（H-Complex），该反应位垒为176．2kJ／mol，H—Complex进一步解离成CH2NO自由基和OH^-，或是OH自由基和[CH2NO]^-．