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手性分子比旋光度的TDDFT计算

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目录

摘要

第一章 综述

前言

1.1 分子的对称性与手性

1.2 偏振光及旋光度

1.3 手性化合物在科学研究中的应用

1.4 本课题的选题依据及研究背景

1.5 本文的工作

参考文献

第二章 TDDFT的理论基础

前言

2.1 基态密度泛函理论(DFT)

2.1.1 Thomas-Fermi模型

2.1.2 Hohenberg-Kohn定理

2.1.3 Kohn-Sham方程

2.2 含时密度泛函理论(TDDFT)

2.2.1 Runge-Gross定理

2.2.2 含时Kohn-Sham方程

2.2.3 TDDFT中的线性响应理论

参考文献

第三章 杂环类分子比旋光度的TDDFT计算

前言

3.1 刚性分子比旋光度的计算

3.1.1 计算方法和研究体系

3.1.2 计算结果与讨论

3.1.3 小结

3.2 柔性分子比旋光度的计算

3.2.1 计算方法和研究体系

3.2.2 几何优化

3.2.3 构型对旋光度的影响

3.2.4 与实验值的比较

3.2.5 小结

参考文献

第四章 氨基酸分子比旋光度的TDDFT计算

前言

4.1 计算方法和研究体系

4.2 计算结果与讨论

4.2.1 几何优化

4.2.2 构型对比旋光度的影响

4.2.3 与实验值的比较

4.3 结论

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 展望

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摘要

作为手性分子在光学透明区特有的一个物理常数,比旋光度和分子的绝对构型有着紧密地联系。但长期以来,由于将比旋光度与绝对构型之间关联方面的困难,限制了它在这方面的应用。近年来,随着量子化学特别是密度泛函理论的发展和完善,这种情形得到了改变,利用密度泛函计算较大分子的比旋光度已经成为可能,这为我们开展比旋光度结构规律的研究奠定了基础。
  本文以28个杂环分子(部分为柔性分子)为研究对象,采用密度泛函理论计算了它们的稳定构型和比旋光度,讨论了构型变化对比旋光度的影响,这对深入了解比旋光度与绝对构型之间的规律具有重要的理论意义。本文的研究内容及主要结果如下:
  1、运用密度泛函理论优化了17个刚性分子的几何构型,计算了它们在气相和溶液中的比旋光度。与实验值对比表明,由TDDFT(结合B3LYP泛函和规范不变的弥散基组)理论计算所得的结果和实验值基本吻合;但考虑了PCM溶剂模型后的计算结果与气相相比并没有明显改进,这表明常用的PCM溶剂模型并不能有效地描述溶剂与溶质间的相互作用。
  2、以环氧丙醇、环已基环氧乙烷等6个柔性分子为研究对象,采用Monte-Carlo方法和密度泛函理论计算了它们的比旋光度。结果显示,除个别分子外,两种方法的计算结果和实验值吻合较好。总结研究结果发现,要计算柔性分子的比旋光度,需要考虑三个因素,即得到影响比旋光度的全局极小值,并能够精确计算每个构象的能量和比旋光度;此外,我们还研究了二面角变化对分子比旋光度的影响,发现二面角的变化能够导致其值大小甚至符号发生改变;对于环已基环氧乙烷和环已基环硫乙烷,它们的二面角变化对比旋光度的影响具有相似的规律。
  3、运用上述计算模型,以脯氨酸等5个杂环氨基酸为研究对象,分析了它们在水溶液中的构型构象,计算了它们的比旋光度。结果表明,α-氨基酸分子在水溶液中的比旋光度主要由两性离子决定,我们的计算模型所得结果和实验值基本吻合,相比Monte-Carlo方法也有明显改进。对于仅有的一个β-氨基酸,在水溶液中中性分子及两性离子对分子比旋光度均有贡献,但计算结果和实验值有一定偏差。

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