高等学校化学学报 ›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (8): 1460.doi: 10.7503/cjcu20160346
收稿日期:
2016-05-16
出版日期:
2016-07-19
发布日期:
2016-07-19
作者简介:
联系人简介: 王长生, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事理论与计算化学研究. E-mail:
基金资助:
LI Lei, HUANG Cuiying, JIANG Xiaonan, GAO Xichan, WANG Changsheng*()
Received:
2016-05-16
Online:
2016-07-19
Published:
2016-07-19
Contact:
WANG Changsheng
E-mail:chwangcs@lnnu.edu.cn
Supported by:
摘要:
采用MP2/6-31+G(d,p)方法优化得到了22个由精氨酸侧链与碱基尿嘧啶、 胸腺嘧啶、 胞嘧啶、 鸟嘌呤及腺嘌呤形成的氢键复合物的气相稳定结构, 使用包含BSSE校正的MP2/aug-cc-pVTZ方法计算得到了复合物的气相结合能, 通过MP2/6-31+G(d,p)方法和PCM模型优化得到了复合物的水相稳定结构, 采用MP2/aug-cc-pVTZ方法和PCM模型计算得到了复合物的水相结合能. 研究发现, 精氨酸侧链与碱基间的离子氢键作用强度与单体间电荷转移量、 氢键临界点电子密度及二阶作用稳定化能密切相关. 与中性氢键相比, 离子氢键作用具有更显著的共价作用成分. 研究还发现, 精氨酸侧链和碱基间形成的氢键复合物的稳定性次序可以通过氢键受体碱基分子上氧原子和氮原子的质子化反应焓变进行预测, 质子化反应焓变越负, 形成的氢键复合物越稳定.
中图分类号:
TrendMD:
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Fig.1 Structures of the arginine side chain molecule and the five base molecules The ΔH(kJ/mol) of the protonation and deprotonation reactions associated with the hydrogen bonding sites obtained at the MP2/aug-cc-pVTZ//MP2/aug-cc-pVDZ level were given in the corresponding sites.
Fig.2 Optimal structures of 22 hydrogen-bonded complexes The hydrogen bond distances[RNH…X (nm, X=N or O)] and bond angles[∠NHX(°)] in gas phase and in water phase are given in the corresponding positions and in parentheses, respectively.
Complex | Type | RNH…X/nm | Eb/(kJ·mol-1) | ΔE(2) / (kJ·mol-1) | ΣΔE(2) / (kJ·mol-1) | ρc/a.u. | Σρc/a.u. | qt/e |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R1-mU1 | N—H…O | 0.1885 | -104.27(-39.70) | 63.76 | 109.16 | 0.0279 | 0.0522 | 0.0371 |
N—H…O | 0.1936 | 45.40 | 0.0243 | |||||
R1-mU2 | N—H…O | 0.1905 | -87.49(-37.91) | 48.91 | 85.14 | 0.0263 | 0.0498 | 0.0333 |
N—H…O | 0.1947 | 36.23 | 0.0234 | |||||
R2-mU1 | N—H…O | 0.1893 | -104.01(-40.77) | 59.66 | 111.08 | 0.0266 | 0.0522 | 0.0373 |
N—H…O | 0.1925 | 51.42 | 0.0256 | |||||
R2-mU2 | N—H…O | 0.1889 | -87.45(-39.35) | 56.07 | 90.71 | 0.0272 | 0.0501 | 0.0337 |
N—H…O | 0.1959 | 34.64 | 0.0229 | |||||
R1-mT1 | N—H…O | 0.1874 | -104.93(-42.06) | 70.58 | 117.48 | 0.0289 | 0.0538 | 0.0385 |
N—H…O | 0.1927 | 46.90 | 0.0249 | |||||
R1-mT2 | N—H…O | 0.1894 | -93.51(-39.80) | 51.00 | 89.24 | 0.0270 | 0.0512 | 0.0348 |
N—H…O | 0.1935 | 38.24 | 0.0241 | |||||
R2-mT1 | N—H…O | 0.1890 | -105.23(-43.05) | 62.51 | 123.51 | 0.0270 | 0.0539 | 0.0391 |
N—H…O | 0.1911 | 61.00 | 0.0269 | |||||
R2-mT2 | N—H…O | 0.1877 | -93.51(-41.03) | 58.41 | 94.81 | 0.0280 | 0.0515 | 0.0353 |
N—H…O | 0.1948 | 36.40 | 0.0235 | |||||
R1-mC1 | N—H…O | 0.1709 | -151.08(-62.45) | 156.06 | 245.05 | 0.0428 | 0.0729 | 0.0822 |
N—H…N | 0.1941 | 88.99 | 0.0300 | |||||
R1-mC2 | N—H…O | 0.1892 | -144.72(-51.31) | 61.46 | 115.18 | 0.0288 | 0.0546 | 0.0472 |
N—H…O | 0.1928 | 53.72 | 0.0258 | |||||
R2-mC1 | N—H…O | 0.1700 | -152.59(-63.58) | 172.05 | 258.32 | 0.0443 | 0.0738 | 0.0858 |
N—H…N | 0.1950 | 86.27 | 0.0295 | |||||
R2-mC2 | N—H…O | 0.1831 | -147.11(-55.19) | 96.65 | 137.11 | 0.0353 | 0.0577 | 0.0555 |
N—H…O | 0.1963 | 40.46 | 0.0224 | |||||
R1-mG1 | N—H…O | 0.1768 | -158.82(-59.90) | 123.34 | 245.55 | 0.0362 | 0.0716 | 0.0776 |
N—H…N | 0.1861 | 122.21 | 0.0354 | |||||
R1-mG2 | N—H…O | 0.2056 | -142.93(-46.98) | 47.03 | 74.90 | 0.0241 | 0.0436 | 0.0387 |
N—H…O | 0.2171 | 27.87 | 0.0195 | |||||
R2-mG1 | N—H…O | 0.1762 | -160.96(-61.35) | 133.68 | 249.45 | 0.0375 | 0.0713 | 0.0790 |
N—H…N | 0.1881 | 115.77 | 0.0338 | |||||
R2-mG2 | N—H…O | 0.2017 | -144.39(-48.66) | 59.54 | 86.07 | 0.0263 | 0.0454 | 0.0437 |
N—H…O | 0.2181 | 26.53 | 0.0190 | |||||
R1-mA1 | N—H…N | 0.1983 | -95.31(-39.73) | 69.37 | 105.90 | 0.0291 | 0.0535 | 0.0515 |
N—H…N | 0.2058 | 36.53 | 0.0244 | |||||
R1-mA2 | N—H…N | 0.1944 | -91.63(-40.76) | 75.02 | 110.75 | 0.0310 | 0.0545 | 0.0529 |
N—H…N | 0.2078 | 35.73 | 0.0235 | |||||
R1-mA3 | N—H…N | 0.1965 | -90.04(-42.83) | 81.46 | 105.69 | 0.0297 | 0.0507 | 0.0462 |
N—H…N | 0.2112 | 24.23 | 0.0210 | |||||
R2-mA1 | N—H…N | 0.1873 | -96.11(-43.43) | 116.69 | 134.39 | 0.0370 | 0.0555 | 0.0587 |
N—H…N | 0.2197 | 17.70 | 0.0185 | |||||
R2-mA2 | N—H…N | 0.1885 | -91.59(-41.37) | 103.68 | 127.53 | 0.0353 | 0.0554 | 0.0574 |
N—H…N | 0.2156 | 23.85 | 0.0200 | |||||
R2-mA3 | N—H…N | 0.1839 | -90.25(-43.52) | 138.49 | 140.37 | 0.0382 | 0.0493 | 0.0563 |
N—H…N | 0.2437 | 1.88 | 0.0111 |
Table 1 Hydrogen bond distances(RNH…X), binding energies(Eb), the second-order stabilization energies(ΔE(2)), the electron densities(ρc) at the hydrogen bond critical points, and the charge transfer(qt) between two molecules for the gas phase structures*
Complex | Type | RNH…X/nm | Eb/(kJ·mol-1) | ΔE(2) / (kJ·mol-1) | ΣΔE(2) / (kJ·mol-1) | ρc/a.u. | Σρc/a.u. | qt/e |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
R1-mU1 | N—H…O | 0.1885 | -104.27(-39.70) | 63.76 | 109.16 | 0.0279 | 0.0522 | 0.0371 |
N—H…O | 0.1936 | 45.40 | 0.0243 | |||||
R1-mU2 | N—H…O | 0.1905 | -87.49(-37.91) | 48.91 | 85.14 | 0.0263 | 0.0498 | 0.0333 |
N—H…O | 0.1947 | 36.23 | 0.0234 | |||||
R2-mU1 | N—H…O | 0.1893 | -104.01(-40.77) | 59.66 | 111.08 | 0.0266 | 0.0522 | 0.0373 |
N—H…O | 0.1925 | 51.42 | 0.0256 | |||||
R2-mU2 | N—H…O | 0.1889 | -87.45(-39.35) | 56.07 | 90.71 | 0.0272 | 0.0501 | 0.0337 |
N—H…O | 0.1959 | 34.64 | 0.0229 | |||||
R1-mT1 | N—H…O | 0.1874 | -104.93(-42.06) | 70.58 | 117.48 | 0.0289 | 0.0538 | 0.0385 |
N—H…O | 0.1927 | 46.90 | 0.0249 | |||||
R1-mT2 | N—H…O | 0.1894 | -93.51(-39.80) | 51.00 | 89.24 | 0.0270 | 0.0512 | 0.0348 |
N—H…O | 0.1935 | 38.24 | 0.0241 | |||||
R2-mT1 | N—H…O | 0.1890 | -105.23(-43.05) | 62.51 | 123.51 | 0.0270 | 0.0539 | 0.0391 |
N—H…O | 0.1911 | 61.00 | 0.0269 | |||||
R2-mT2 | N—H…O | 0.1877 | -93.51(-41.03) | 58.41 | 94.81 | 0.0280 | 0.0515 | 0.0353 |
N—H…O | 0.1948 | 36.40 | 0.0235 | |||||
R1-mC1 | N—H…O | 0.1709 | -151.08(-62.45) | 156.06 | 245.05 | 0.0428 | 0.0729 | 0.0822 |
N—H…N | 0.1941 | 88.99 | 0.0300 | |||||
R1-mC2 | N—H…O | 0.1892 | -144.72(-51.31) | 61.46 | 115.18 | 0.0288 | 0.0546 | 0.0472 |
N—H…O | 0.1928 | 53.72 | 0.0258 | |||||
R2-mC1 | N—H…O | 0.1700 | -152.59(-63.58) | 172.05 | 258.32 | 0.0443 | 0.0738 | 0.0858 |
N—H…N | 0.1950 | 86.27 | 0.0295 | |||||
R2-mC2 | N—H…O | 0.1831 | -147.11(-55.19) | 96.65 | 137.11 | 0.0353 | 0.0577 | 0.0555 |
N—H…O | 0.1963 | 40.46 | 0.0224 | |||||
R1-mG1 | N—H…O | 0.1768 | -158.82(-59.90) | 123.34 | 245.55 | 0.0362 | 0.0716 | 0.0776 |
N—H…N | 0.1861 | 122.21 | 0.0354 | |||||
R1-mG2 | N—H…O | 0.2056 | -142.93(-46.98) | 47.03 | 74.90 | 0.0241 | 0.0436 | 0.0387 |
N—H…O | 0.2171 | 27.87 | 0.0195 | |||||
R2-mG1 | N—H…O | 0.1762 | -160.96(-61.35) | 133.68 | 249.45 | 0.0375 | 0.0713 | 0.0790 |
N—H…N | 0.1881 | 115.77 | 0.0338 | |||||
R2-mG2 | N—H…O | 0.2017 | -144.39(-48.66) | 59.54 | 86.07 | 0.0263 | 0.0454 | 0.0437 |
N—H…O | 0.2181 | 26.53 | 0.0190 | |||||
R1-mA1 | N—H…N | 0.1983 | -95.31(-39.73) | 69.37 | 105.90 | 0.0291 | 0.0535 | 0.0515 |
N—H…N | 0.2058 | 36.53 | 0.0244 | |||||
R1-mA2 | N—H…N | 0.1944 | -91.63(-40.76) | 75.02 | 110.75 | 0.0310 | 0.0545 | 0.0529 |
N—H…N | 0.2078 | 35.73 | 0.0235 | |||||
R1-mA3 | N—H…N | 0.1965 | -90.04(-42.83) | 81.46 | 105.69 | 0.0297 | 0.0507 | 0.0462 |
N—H…N | 0.2112 | 24.23 | 0.0210 | |||||
R2-mA1 | N—H…N | 0.1873 | -96.11(-43.43) | 116.69 | 134.39 | 0.0370 | 0.0555 | 0.0587 |
N—H…N | 0.2197 | 17.70 | 0.0185 | |||||
R2-mA2 | N—H…N | 0.1885 | -91.59(-41.37) | 103.68 | 127.53 | 0.0353 | 0.0554 | 0.0574 |
N—H…N | 0.2156 | 23.85 | 0.0200 | |||||
R2-mA3 | N—H…N | 0.1839 | -90.25(-43.52) | 138.49 | 140.37 | 0.0382 | 0.0493 | 0.0563 |
N—H…N | 0.2437 | 1.88 | 0.0111 |
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