金属配合物与核酸作用机理的理论计算

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1、关键词Gaussian 磷酸酯水解 金属催化剂 过渡态金属配合物与核酸作用机理的理论计算林羲栋中山大学化学与化学工程学院应用化学学号10340035*E-mail:摘要本实验采用 GaussView 建模，模拟了磷酸酯分别在金属催化剂与无金属催化剂 的情况下水解的过程。通过 gaussian 03 软件对分子进行结合结构优化、能量计算 以及频率分析，可以高效得到分子的单点能，更加深入的了解金属配合物催化核酸 水解反应的作用机制。1 引言 自然界中，许多水解酶中都含有金属离子， 其催化水解作用都要靠金属离子来完成 。例如 羧肽酶和碳酸酐酶都含有Zn2+离子，前者能 催化肽和蛋白质分子羧端氨基酸的

2、水解，后者 能加速催化体内代谢产生的二氧化碳的水合 反应 。金属离子作为催化中心的一员， 在电子 转移的过程中起着十分重要的作用， 它们容易 失去电子，在周围形成电子空轨道，是一种典 型的“路易斯酸”，这种状态下的金属离子对 催化过程中的各个基团的移动具有很好的定 向作用，从而降低催化反应的活化能， 使反应 向利于底物水解和产物形成的方向移动， 加快 反应速率。不同于一些具有水解能力的非酶化 学试剂(如强酸 、强碱、溴化氰等) 1，金属 离子配合物对目标物的水解更为温和， 产物相 对稳定，在不同配合物的作用下能表现出不同 的催化水解状态 。这些独特的优点使得金属离 子配合物在生物大分子结构分析

3、 、模拟酶的构 筑和功能性材料的研发方面展现出极佳的应 用前景。金属配合物作为 DNA 的结构和构象探针 成为近几年的研究热点，由于其具有良好的反 应活性及丰富的谱学性质，为探测配合物与 DNA 的反应提供了方便的研究手段，配合物与 DNA 的反应大致可分为以下三类 2:(1) 直接氧化断裂 DNA 链(2) 与 DNA 碱基的氧化反应。(3) 水解反应。 水解使得磷酸二酯键断裂比氧化还原造 成的裂解更有优越性，因为这样不破坏碱基 ， 可以保持遗传信息，也比较容易使裂解产物重 新组合起来。金属离子和配合物对促进磷酸二 酯键水解能够发挥的有效作用，在于他们具有 Lewis 酸的功能，可以使磷氧键

4、激化，有利 于其断裂，也可以提供已配位的亲核配体给磷 形成五配位的磷酸酯中间产物。借助于 Co( III) 乙二胺磷酸酯等模型系统，人 们可以清楚地推断这种作用的机理。简单金属 离子如Zn2 +, Pb2 +对RNA水解的促进作用 也已为人们所了解。近些年来，各国科学家们在金属离子配合 物方面的研究取得了许多令人欣喜的成果。 Zhou3等用二吡啶和联苯修饰B -环糊精，并 与Zn2+离子进行配合，这种配合物具有催化羧 酸酯键的功能，同时这种配合物也具有催化水 解磷酸二酯键的能力，并且随着pH的升高催化 效率呈递增趋势，这为日后利用配合物实现水 解DNA或RNA探明了道路。金属离子碳氮杂环配 合

5、物的水解作用因此，空间位阻小、配位方式 灵活的碳氮杂环化合物以及其衍生物的金属 离子配合物就成了水解蛋白与核酸的最佳候 选。Yus等分别利用琼脂糖和壳聚糖制备的 树脂为固相载体，再同Ce ( IV)进行配合，以 多糖分子中的多个-NH2基团在空间形成的簇 作为金属离子催化水解提供微环境。 用此方法 制备出来的金属离子 -树脂配合物同时具有水 解肽键和磷酸酯键的能力。近年来 , 以二、三 核金属配合物作为水解酶模型的研究工作进 展显著6, 多种配合物被设计合成并应用于 催化核酸、磷酸酯和酰胺的水解 , 取得了丰硕 的研究成果。2 计算方法2.1计算练习(1) 用 Gauss View 分别构筑一

6、氯甲烷、二 氯甲烷和三氯甲烷分子，使用 Gaussian 03W ， 在 HF/3-21g 方法基组水平下，计算三种分子 的单点能。(命名 CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 )(2) 用HF/3-21g分别优化上述(1)中的一 氯甲烷、二氯甲烷和三氯甲烷分子，并计算它 们的频率，得到三种分子的热力学函数值。(命 名 CH3Cl_f, CH2Cl2_f, CHCl3_f )(3) 分别构筑甲烷、甲醇和甲醛分子，使 用HF/3-21g方法基组，优化这三种分子，并比 较它们的偶极矩(dipole moment)。(命名CH4, CH3OH， HCOH)(4) 丙烯构象的优化：HF/6-31G

7、(d)构筑 两种构象的丙烯分子，优化结构，比较相应的 C-C键长、C-C-C键角、C-C-C-H二面角以及两 种构象的能量，讨论不同构象之间的结构和能 量关系。(命名， propene_1 ， propene_2)(5) 分别建立甲烷和甲醇分子，采用B3LYP方法及6-31G基组，优化。(命名 CH4_charge, CH3OH_charge) 比较两分子中对 应C原子和H原子的mUlliken电荷，讨论羟基对 电荷分布的影响。(6) 构建乙烯分子，采用HF/3-21G方法基 组，优化后，使用.chk文件查看乙烯分子的前 线轨道，包括HOM0和LUM0。根据轨道形状和能 量，讨论乙烯的反应性。

8、(命名ethene) 2.2无金属催化剂下的磷酸酯水解 2.2.1反应物和产物分子的结构优化与能量计 算用GaussView构筑1、2、3、4分子，优化并计算频率，得到单点能和热力学函数值。 2.2.2过渡态结构的频率计算根据给出的过渡态TS结构进行频率计算， 得到单点能和热力学函数值。2.2.3反应前期络合物和产物络合物的结构优 化与能量计算用GaussView构筑反应前期络合物RC和产 物络合物PC，优化，得到单点能和热力学函数 值。2.3 金属催化剂催化磷酸酯水解 2.3.1磷酸酯结构的理论模型的建立及结构优 化与单点能计算用GaussView构筑磷酸二酯1分子，优化， 得到该分子的单点

9、能。2.3.2 Zn配合物2 或Zn配合物2结构的理论模 型的建立及结构优化与单点能计算用GaussView构筑Zn配合物2或Zn配合物 2,优化，得到Zn配合物的单点能。2.3.3 Zn 配合物 2(或2)与磷酸酯作用后的 结构，即中间复合物 3(或3)的理论模型的 建立及结构优化与单点能计算用GaussView构筑中间复合物3或3，优化, 得到中间复合物的单点能。2.3.4 过渡态结构 4(或4)的理论模型的建 立及结构优化与单点能计算用GaussView构筑过渡态结构4(4),优化, 得到过渡态的单点能。2.3.5 产物结构的理论模型的建立及结构优 化与单点能计算用GaussView构筑

10、磷酸5与对硝基苯酚6， 优化，得到它们的单点能。3实验结果与讨论3.1 计算练习3.1.1 实验结果表 1 CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 单点能CH3CICH2ClCHCl3E(RHF)-496.683423663-953.382786363-1410.07525449Opt E(RHF)-496.689483327-953.390599979-1410.08422332zero-pointEnergies*-496.649135-953.359448-1410.063386thermal Energies-496.646112-953.355870-1410.058919ther

11、malEnthalpies(H)-496.645167-953.354926-1410.057975ThermalFreeEnergies(G)-496.671848-953.385716-1410.091646比较优化前和优化后的单点能可以看出 优化后的单点能明显比优化前的单点能低，说 明优化后能量更低，结构更加的稳定。表 2 偶极矩CH4CH3OHHCOH偶极矩02.12272.6583CH4的偶极矩为零没有极性，CH30H有羟 基极性增加，HCOH的有羰基吸电子作用更加 强，极性最大。表 3 丙烯构象的优化键长键角面 角E(RHF)11.50992124.963180-117.02530

12、359921.50161125.2440-117.028276319由上得知结构 2 的能量更低，结构更加稳 定，说明二面角为 0时氢原子相互错开，减 少了相互作用力，使结构稳定。表 4 CH4、CH3AIH2m ulliken 电荷H-CCAlH-AlCH40.145-0.578CH3AlH20.168-0.7900.686-0.191由上表对比得金属 Al 有给电子的作用， 电荷给了一部分电荷给C和其所相连的H，使 得C和H所带的负电荷增加。表5 乙烯分子轨道分子中， HOMO 上的电子能量最高，所受 束缚最小, 所以最活泼,容易变动；而 LUMO 在 所有的未占轨道中能量最低，最容易接受

13、电子因此乙烯具有很高的反应性。3.2无金属催化剂下的磷酸酯水解3.2.1 实验结果表6 单点能和热力学函数值E(RB+HF-LYP)zero-pointEnergies(E0)thermalEnergiesthermalEnthalpies(H)thermal FreeEnergies(G)1-385.138724155-385.046048-385.038261-385.037317-385.0784542-346.045257327-345.981122-345.974226-345.973282-346.0119913-75.2462771741-75.240149-75.237788-

14、75.236844-75.2565854-115.073592643-115.022852-115.019585-115.018641-115.045592OH-IM-460.351171151-460.247966-460.237929-460.236985-460.283073OH-TS1-460.342302944-460.241655-460.232187-460.231243-460.276417OH-TS2-460.348959319-460.245833-460.236711-460.235767-460.279465RC-460.354846074-460.254918-460

15、.243533-460.242589-460.293731PC-460.423821330-460.320517-460.310303-460.309359-460.3573823.2.2 讨论定化能）3.2.2.1计算磷酸二酯1与水分子2的相互作用能（稳碱性条件下3为0H-磷酸二酯 1 与氢氧根 3 的相互作用能 =中间复合物 RC 的能量-(磷酸二酯 1+氢氧根 3)(1a.u.=627.51 kcal/mol= 2625.5 kJ/mol) 用总能量计算：-460.243533-(-385.038261-75.237788 ) =0.032526 a.u.=85.37KJ/mol 用单点能计算：-460.354846074-(-385.138724155-75.2462771741 ) =0.0301552